文档文本内容
物 理
义务教育教科书
九年级·下册
上海科学技术出版社
广东教育出版社
主 编 束炳如 何润伟
本册主编 朱美健
本册核心作者（以姓氏笔画为序）
王 玫 刘同胜 朱美健 罗向新
责任编辑 陈 鹏 金波艳 陈洁辉 林 旸
美术编辑 赵 军 陈宇丹
义务教育教科书 物理 九年级 下册
出 版
上海科学技术出版社
广东教育出版社
（上海市闵行区号景路159 弄A 座9F-10F 邮政编码201101）
发 行 新华书店
印 刷 合肥义兴印务有限责任公司
版 次 2026 年1 月第1 版
印 次 2026 年1 月第1 次
开 本 787mm×1092mm 1/16
印 张 6.5
字 数 106 千字
书 号 ISBN 978-7-5478-7414-1/G·1410
定 价 6.86 元
版权所有·未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分·违者必究
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审批编号：皖费核（2026 年春季）90 号
举报电话：12315
目 录
第十六章 磁场 电磁铁
16.1 永磁体的磁场 ......................... 2
16.2 电流的磁场 ............................. 9
16.3 电磁铁 ................................... 13
16.4 电磁继电器与自动控制 ....... 18
跨学科实践 设计家庭养花
自动浇水装置 ....................... 20
第十七章 电动机与发电机
17.1 关于电动机转动的猜想 ....... 24
17.2 电动机转动的原理 ............... 28
跨学科实践 高铁提速的可
行性分析 ............................... 32
17.3 发电机发电的原理 ............... 34
第十八章 家庭电路与安全用电
18.1 家庭电路 ............................... 41
18.2 安全用电 ............................... 47
18.3 电能与社会发展 ................... 52
第十九章 电磁波与信息时代
19.1 电磁波 ................................... 56
19.2 广播电视与通信 ................... 62
19.3 走进互联网 ........................... 68
跨学科实践 让家中的无线网
络更流畅 ............................... 71
第二十章 能源与能量守恒
20.1 能 源 ................................... 74
20.2 开发新能源 ........................... 79
20.3 能量的转化与能量守恒 ....... 87
20.4 能源、环境与可持续发展 ... 93
跨学科实践 新能源汽车发展
前景和趋势的研究 ............... 96
磁场 电磁铁
第 十 六 章
16.1 永磁体的磁场
16.2 电流的磁场
16.3 电磁铁
16.4 电磁继电器与自动控制
2 000 多年前，人类就发现了磁体。用磁体制作的指南针，是我国古代的
四大发明之一，它曾为世界航海事业作出了很大的贡献。今天，磁体广泛应用
于能源、电子、医疗、汽车、航天等诸多领域，推动着社会的发展和进步。
什么是磁体，它有哪些性质？
永磁体的磁场
16.1
磁体具有吸引铁、钴、镍等物质的性质，
这种性质叫做磁性。磁体又分为天然磁体和人造
磁体，能够长期保存磁性的磁体叫做永磁体。图
16-1-1 中是几种常见的人造永磁体。
试一试，用磁体能够吸引我们身边的哪些物品？
约在战国时期，我国就发现了磁体的指向性。在《韩
非子》一书中，就有“故先王立司南以端朝夕”的记载。
东汉学者王充写的《论衡》一书中，也有“司南之杓，
投之于地，其柢指南”的记载。司南是我国早期的指南针，
也是世界上最早的磁性指向工具。司南形如勺子，静止
下来的时候，勺柄指南。宋代的沈括（1031—1095）在《梦
溪笔谈》一书中，介绍了指南针装置的四种使用方法：
水浮法，碗唇旋定法（将磁针放在碗沿上使之平衡），
指甲旋定法（将磁针放在手指甲上，使之平衡），缕悬
法（用一根蚕丝将指南针悬挂起来，如图16-1-2 所示）。
公元12 世纪初，我国就将指南针用于航海了。到12 世纪末、13 世纪初，
指南针才传到欧洲。明代伟大的航海家郑和曾用罗盘（把指南针装配在方位盘
指南针
图16-1-2 北宋缕悬
法指南针
模型
图16-1-1 人造永磁体
条形磁体
蹄形磁体
磁针
磁 体
信息浏览
2
上构成的仪器）导航，率领庞大的船队7 次大规模远航，访问了亚洲、非洲
30 多个国家和地区，最远到达红海沿岸和非洲东海岸。指南针的发明，推动
了世界航海事业的发展。
通过上述活动，可以得出以下结论：
（1）磁体的两端磁性最强，叫做磁极（magnetic pole），每一个磁体都有
两个磁极。
（2）悬挂着的磁体静止时，总是一端指南，一端指北；指南的一端是磁
体的南极（south pole），又叫做S 极；另一端是北极（north pole），又叫做
N 极。
（3）磁极间相互作用的规律是：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。
人们发现，一些没有磁性的铁质物体，如铁钉、钢尺等，有时会变得有磁性。
这是怎么回事呢？下面，我们通过实验来进行研究。
你对磁体了解多少
请用图16-1-3 所示的器材进行实验，并研究以下问题：磁体各处的磁性
是否一样？哪里最强？磁体有几个磁极？磁极的指向有何特点？磁极间的相互
作用有什么规律？
图16-1-3 实验器材
条形磁体
铁屑
细线
大头针
磁针
锯条和钢尺
探究“磁化”和“去磁”
准备一根条形磁体、两枚铁钉和一些铁屑。实验前，先用铁钉接触铁屑以
证明铁钉无磁性。
活动1
活动2
3
图16-1-4 磁化的方法
（a）将磁体的一极靠近或接触铁钉
（b） 将磁体的一极在铁钉上沿同
一方向反复摩擦
实验表明，用人工的方法可以使物体获得磁性。在物理学中，把这种使原
来没有磁性的物体获得磁性的过程叫做磁化（magnetization）。
（2）物体的磁性既能获得，也会失去。
不断敲击或放在火焰上加热已被磁化的铁钉，铁钉就会失去磁性，这个过
程称为“去磁”。请你试一试。
为什么磁体间不需要直接接触，就
能发生相互作用呢？
科学研究表明，磁体周围存在着
一种看不见的物质，这种物质叫做磁场
（magnetic field）。
磁体间的相互作用和磁化现象都是
通过磁场发生的。将小磁针放在条形磁
体周围，小磁针静止后会有不同的指向
（图16-1-5），这是由于小磁针在各
（1）请按照图16-1-4（a）（b）所示的方法，分别用一枚铁钉试一试。
图16-1-5 条形磁体周围小磁针的指向
磁 场
4
处受到磁体的磁场作用力的方向不同。这说明磁场是有方向的，人们把小磁针
在磁场中静止时N 极所指的方向，规定为这一点磁场的方向。
磁场看不见，摸不着，怎样来描述它呢？
用铁屑显示磁体周围的磁场分布
在水平放置的磁体上放一块玻璃板，在玻璃板上均匀地撒一些铁屑，轻敲
玻璃板，就可看到铁屑形成如图16-1-6 所示的图形。
铁屑为什么会形成这样的分布呢？因为铁屑在磁场作用下被磁化成一个
个小磁针。这些小磁针受到磁场的作用，就在磁场中形成了如图所示的排列。
仔细观察上面的图形，说明同名磁极和异名磁极周围的铁屑分布有什么
不同。
为了形象地表示磁场，我们仿照铁屑在磁场中的分布图形，画出一条条
带有箭头的曲线，这样的曲线叫做磁感线（magnetic induction line），如图
16-1-7 所示。
磁感线上各点的切线方向就是该点的磁场方向。用磁感线可以形象地表示
磁感线
活动3
图16-1-6 不同磁体周围的铁屑分布
（a）同名磁极和异名磁极间铁屑的分布
（b）蹄形磁体周围铁屑的分布
N
N
N
S
N
S
5
图16-1-7 磁感线
（a）条形磁体的磁感线
（b）蹄形磁体的磁感线
为什么指南针总是指向南北呢？原来地球是一个巨大的天然磁体，地球周
围的磁场叫做地磁场（geomagnetic field）。地磁场的磁感线分布如图16-1-8
所示。地磁的北极在地理的南极附近，地磁的南极则在地理的北极附近。指南
针在地磁场的作用下发生偏转而指向地球的南北方向。
图16-1-8 地磁场示意图
地理北极
地理南极
地磁南极
地磁北极
磁场的方向和它的分布情况。磁体外面的磁感线是从它的N 极出来，回到它
的S 极。如图16-1-7 所示的是条形磁体和蹄形磁体的磁感线。磁感线的疏密
可以表示磁场的强弱，磁感线越密表示磁场越强。
为了帮助人们
想象磁场在空间的
分布情况，科学家
借用磁感线来形象
地描绘磁场，磁感
线是假想的物理
模型，实际上并不
存在。
金钥匙
6
随着科学技术的发展，除天然磁石以外，人们还制造出了各种磁性材料。
如今，磁性材料多种多样，它们越来越多地应用到生产生活的方方面面。
磁性材料按磁化后去磁的难易程度分为软磁材料和硬磁材料。磁化后容易
失去磁性的物质叫做软磁材料，不容易失去磁性的物质叫做硬磁材料。
软磁材料适用于需要反复磁化的场合，例如可以用来制造天线磁棒、磁头、
计算机的记忆元器件，以及变压器、交流电机的铁芯等，如图16-1-9（a）所示。
常见的金属软磁材料有软铁、硅钢、镍铁合金等。
硬磁材料适合制造永磁体，广泛应用于磁记录，如购物卡、银行卡上的磁
条、计算机硬盘内部盘片表面的磁粉等，如图16-1-9（b）所示。常见的金属
硬磁材料有碳钢、钨钢、铝镍钴合金等。天然磁石也是硬磁材料。
（a）电机铁芯是软磁材料
（b）各种磁卡上的磁条是硬磁材料
图16-1-9 磁性材料的应用
地磁的两极跟地理的两极并不重合，因而水平放置的磁针的指向跟地理子
午线之间有一个夹角，这个夹角就是磁偏角。我国宋代学者沈括是世界上最早
注意到这一现象的人，他在《梦溪笔谈》中写道：方家以磁石磨针锋，则能指
南，然常微偏东，不全南也。这个发现比西方早了400 多年。
磁偏角
形形色色的磁性材料
信息浏览
7
5．如图16-1-13 所示，磁体在日常生活中有着广泛的应用。请你再列举
一些生活中应用磁体的事例。
6．查阅资料，了解明代伟大的航海家郑和利用罗盘导航，访问了亚洲和
非洲哪些国家和地区。
1．一根条形磁体，你能想出几种办法辨别它的南极和
北极？
2．信鸽（图16-1-10）能从几百千米甚至两千千米外
的地方飞回自己的窝。有人做过实验，如果在信鸽的身上绑
一小块磁体，那么它们就会迷失方向。这是什么原因呢？你
还知道哪些生物是利用地磁场帮助定向的？
3．图16-1-11 分别是两根外形、颜色完
全相同的金属棒，其中只有一根有磁性。如果
不用其他器材，怎样才能分辨出哪一根是条形
磁体，哪一根是铁棒？
4．如图16-1-12 所示，两根条形磁体同极相对放置，请画出两极之间磁
感线分布的大致情况。
图16-1-10
图16-1-11
（a）
（b）
图16-1-12
（a）
（b）
图16-1-13
冰箱门磁封
扬声器磁钢
文具盒磁封
磁性起子
小磁片
自我评价 与 作业
8
历史上，曾有一些科学家认为电和磁之间是没有联系的，而丹麦物理学家
奥斯特（H. Oersted，1777—1851）则认为电、热、光、磁之间是有联系的。
他经过多年的实验研究，于1820 年4 月发现了电流的磁效应，打开了电与磁
联系的大门。下面我们来做奥斯特做过的实验。
电流的磁场
16.2
电流的磁场
观察通电直导线周围的磁场
把小磁针放在桌面上，将一根直导
线平行置于小磁针的上方（图16-2-1）。
（1）当导线中没有电流通过时，小
磁针指向什么方向？
（2）将导线的两端接入电路，闭合
开关，此时导线中有电流通过了，观察小
磁针的指向有没有变化？这说明了什么？
（3）再使通过导线的电流方向与刚才实验时的方向相反，观察小磁针的
指向是否发生改变？这又说明了什么？
图16-2-1 研究通电直导线周围的磁场
导线
实验说明：
通电导体跟磁体一样，周围也存在着磁场。磁场的方向与电流的方向有关。
活动
我们把导线在圆柱形空心筒上绕成的螺纹状线圈，叫做螺线管。这是一种
重要的电磁器件。
通电螺线管的磁场
9
探究通电螺线管外部磁场的方向
1. 观察通电螺线管周围的铁屑分布
在嵌有螺线管的有机玻璃板上均匀
地撒上铁屑，给螺线管通电，并轻敲有
机玻璃板，观察螺线管周围铁屑的分布
情况（图16-2-2）。
实验表明，通电螺线管周围存在着
磁场。
你能说出通电螺线管外部的磁场分
布与哪种磁体的磁场相似吗？
2. 探究通电螺线管的极性与电流方向的关系
按图16-2-3（a）所示电路，用导线把如图16-2-3（b）所示的器材连接
起来。把小磁针放在螺线管两端，闭合开关，观察螺线管两端的小磁针的指向。
然后，改变电流方向，记下螺线管中的电流方向和小磁针静止时N 极的指向。
请想一想：通电螺线管的极性与电流方向间有什么关系？
通电螺线管的磁场是怎样分布的？它的极性与电流方向有怎样的关系？
下面，我们通过实验来进行研究。
必做实验
图16-2-2 通电螺线管周围的铁屑
图16-2-3 探究通电螺线管的极性
（b）实验器材
A
B
（a）电路图
10
通过以上活动，可以得出以下结论：
通电螺线管外部的磁场与条形磁体周围的磁场很相似，其磁场的极性与螺
线管中电流的方向有关。
通电螺线管的极性与电流方向有关。如图16-2-4 所示，用右手握住螺线
管，让四指弯曲且与螺线管中电流的方向一致，则拇指所指的那端就是通电
螺线管的N 极。这就是右手螺旋定则（right-handed screw rule）。
图16-2-4 右手螺旋定则
右手
S
N
I
I
1．在图16-2-5（a）（b）中，标出通电螺线管的N 极和S 极。
自我评价 与 作业
图16-2-5
（a）
（b）
应当注意，右手螺旋定则中所说的“电流的方向”，是指螺线管中“电流
的环绕方向”，右手四指的弯曲方向应与电流的环绕方向一致。
S
S
11
3．关于通电螺线管磁场的方向，甲、乙、丙三位同学通过实验得出的结
论分别是：
甲同学：通电螺线管的极性与电流从哪一端流入线圈有关。
乙同学：通电螺线管的极性与导线的环绕方向有关。
丙同学：通电螺线管的极性与电流的环绕方向有关。
请你对这三位同学的说法作出评价。
2．标出图16-2-6 中通电螺线管的电流方向。
图16-2-6
S
N
（a）
S
N
（b）
12
电磁铁
16.3
图16-3-1 上海浦东的磁浮列车
图16-3-2 电磁起重机
磁浮列车（图16-3-1）和电磁起重机（图
16-3-2）都是利用电磁铁来工作的，那么，什
么是电磁铁呢？
认识和制作电磁铁
1. 观察电磁铁的结构
拆开电磁铁（图16-3-3），观察它的
结构。
2. 制作简易电磁铁，了解电磁铁的磁性
在图16-3-4 中，选用合适的器材制作
一个螺线管，并将它接入图16-3-5 所示的
电路中。将铁钉插入螺线管内，接通电路，
观察其磁性的变化情况。跟同学比一比，看
谁做的电磁铁的磁性更强。
图16-3-3 实验室里常用的电磁铁
线圈
铁芯
衔铁
什么是电磁铁
活动1
13
图16-3-5 探究电磁铁磁性的电路
图16-3-4 研究电磁铁磁性的实验器材
用来绕制螺线
管的塑料管
粗细不同的
大铁钉
胶带
漆包线
大头针
猜一猜，如果用竹筷插入螺线管内，
其磁性有无变化？不妨动手做一做。
实验表明，当通电螺线管内插入铁钉时，其磁性明显增强。因此，人们在
利用通电螺线管的磁性时，通常都要把螺线管紧密地套在一个铁芯上，这样就
构成了一个电磁铁（electromagnet）。
由此可见，电磁铁是一个带有铁芯的螺线管，它由线圈和铁芯两部分组成。
电磁铁通电时有磁性，断电时磁性消失。
探究影响电磁铁磁性强弱的因素
通过制作简易电磁铁，我们已经发现电磁铁磁性的强弱与电流的大小有
关，有些同学猜测还与线圈的匝数有关，于是设计出如图16-3-6（a）（b）
所示的实验电路来探究。你有什么不同的设计方案？请根据这些电路或你自己
设计的电路，选择器材，连接电路，进行实验。
电磁铁磁性的强弱跟哪些因素有关
活动2
14
图16-3-6 实验探究影响电磁铁磁性强弱的因素
（a） 调节滑动变阻器，改变电路中的电
流，比较在电流较大和较小的两种情
况下，电磁铁所吸引的大头针数目
（b） 将两个匝数不同的电磁铁串联接入电路，
通电时，比较它们所吸引的大头针数目
综合你对电磁铁磁性的实验研究，把得到的实验数据填写在表16-3-1 中。
注：电流栏数字可按实验数据调整。
表16-3-1 探究电磁铁磁性实验数据表
线圈匝数n/ 匝
电流I/A
吸引的大头针数目
0.5
1.0
0.5
1.0
通过对电磁铁的研究，可以得到以下结论：
当电磁铁线圈匝数一定时，通过电磁铁的电流越大，电磁铁的磁性就越
强；当电流一定时，电磁铁线圈的匝数越多，磁性就越强。
S
S
15
电磁铁在生产、生活中的应用十分广泛。例如，我国上海浦东的磁浮列车，
在地面轨道中就铺有电磁铁，列车的底部也安装有电磁铁，通过电磁铁之间的
相互作用，使列车悬浮在轨道上方行驶，
从而减少列车运行的阻力，极大地提高了
列车的运行速度。
电磁起重机中有一个巨大的电磁铁，
通电后，电磁铁产生很强的磁性，能吸起
成吨的钢材或铁矿石。此外，电铃、电话
等也要用到电磁铁。试分析图16-3-7 中
电铃的工作过程。你还能说出电磁铁其他
方面的应用吗？
图16-3-7 电铃工作原理示意图
电源
开关
电磁铁
电铃
弹
簧
片
电磁铁的应用
计算机磁盘及磁盘驱动器
图16-3-8 是计算机磁盘及磁盘驱动器的结构示意图。
计算机磁盘是在盘片上均匀地涂上一层极薄的磁性材料构成的，图像、声
音和数字等信息之所以保存在上面，是因为我们把它们转换成磁头电流信号，
磁头电流产生的磁场使磁盘上的磁性材料磁化，将信息保存到了计算机的磁盘
上。在需要这些信息时，我们又用磁头与这些被磁化的磁性材料相互作用，把
信息“读”出来。
图16-3-8 计算机磁盘工作原理示意图
STSE
磁盘驱动器
磁盘
磁头
电脑
16
1．电磁铁是由铁芯和线圈两部分组成的。请说说铁芯和线圈在电磁铁工
作时各起什么作用？
2．电磁铁能得到广泛的应用，主要原因是它产生的磁场可变、可控。请
在表16-3-2 中填写改变电磁铁磁场的具体方法。
自我评价 与 作业
3．在如图16-3-9 所示的电路中，请说出两种
使电磁铁磁性增强的方法。
4．在探究电磁铁磁性与线圈匝数的关系时，实
验中用了什么方法控制通过两个线圈的电流，使它们
保持相同？你能设计其他方法来探究吗？把你的方
案写出来。
表16-3-2 改变电磁铁磁场的方法
改变电磁铁磁场的
方式
控制电磁铁磁场的
存在和消失
增强电磁铁的磁性
改变电磁铁的磁场
方向
具体方法
请调查生产、生活中哪些地方用到电磁铁。
课外活动
图16-3-9
2
1
S
P
17
工人师傅通过按钮，能轻松自如地操纵龙门吊、起重机等重型机械；机器
人可以代替工人完成各种装配工作。这些机械、机器人中的一个重要控制部件
就是电磁继电器（图16-4-1）。
电磁继电器与自动控制
16.4
图16-4-1 电磁继电器的应用
（a）龙门吊
（b）可代替工人完成装配工作的机器人
观察电磁继电器
什么是电磁继电器呢？
电磁继电器是利用电磁铁来控制工作电路的一种装置。我们先了解一下它
的结构。
图16-4-2 电磁继电器
（a）实物图
（b）结构图
电磁铁
线圈引出线
静触点
静触点
动触点
复
位
弹
簧
衔铁
电磁继电器
活动1
18
如图16-4-2 所示，仔细观察电磁继电器，并对照其内部结构图，说说组
成它的主要部件并分析其作用。
学习使用电磁继电器
图16-4-3 是一种利用了电磁继电器的控制系统，右侧为工作电路，左侧
为控制电路。
（1）连接控制电路。
① 根据继电器标示的“线圈额定电压”，
将电源、开关S1 与线圈连接起来。
② 闭合开关S1，注意观察衔铁是如何动
作的，A、B 触点（常闭）及B、C 触点（常开）的
状态是如何转换的。断开开关S1，情况又怎样？
（2）连接工作电路。
根据用电器（小灯泡）的额定电压，将电
源、开关S2、小灯泡接入电路。闭合开关S2，
观察开关S1 断开和闭合时两灯的发光情况。
在生产和生活中，有些实际工作电路是高压电路，直接使用高压开关是很
危险的。在一些危险性较高的场所，如爆破现场、X 射线透视室等，都可用电
磁继电器进行安全操作。电磁继电器还常用于自动化设备中。
图16-4-3 电磁继电器的控制电路
和工作电路
A
B
C
绿灯
红灯
S2
S1
用电磁继电器进行自动控制
活动2
机器人
机器人一般由感知系统、机械系统、控制系统和驱动系统四部分组成。它
STSE
19
图16-4-4 不同用途的机器人
（b） 可执行爆炸物处理、侦察及营救等任务的机器人
（a）机器人足球赛
能根据事先设计的程序或在操作者的控制下，从事各种复杂或危险的工作（图
16-4-4）。控制系统中就有电磁继电器。
跨学
科
实
践
● 活动主题 随着人民生活水平的提高，养花逐渐成为人们绿色生活的
一部分。花不仅有较高的欣赏价值，还可以净化空气。但是，若全家外出旅游
一段时间时，如何按时给花浇水？
● 方案制订与实施
1. 方案：利用电磁继电器和传感器，设计制作一套能根据花盆中的土壤含
水量定时、定量自动浇水的装置。
2. 实施：（1）这个活动要用到湿度传感器，它是能将土壤湿度的变化转
化为电子信号的电子元件。上网搜索关于湿度传感器方面的资料，选择合适的
“湿度传感器”作为方案制订的组成部分。
（2）用湿度传感器和电磁继电器，设计一个自动浇水装置，并画出设计
方案图。图16-4-5 是某校学生在老师的指导下，设计的自动浇水方案图。湿
度传感器采集花盆湿度信号传到信息处理器；信息处理器可以根据不同花草对
湿度的需求调节湿度信号；信息处理器将采集到的湿度信号传到继电器；继电
器通过湿度信号控制水泵的通与断，当花盆内土壤湿度较低时水泵接通，花盆
设计家庭养花自动浇水装置
20
内土壤湿度较高时水泵断开，从而达到对花草自动浇水的目的。你的设计方案
是怎样的？
图16-4-5 自动浇水方案
继电器
信息
处理器
水泵
湿度传感器
1．图16-4-6 是一种简易的水位报警器，请说出它的工作过程。
自我评价 与 作业
图16-4-6
电源
电源
红
A
B
绿
（3）根据你的设计方案，选择合适的元器件和材料进行制作和安装，并
调试湿度传感器和电磁继电器，使之协调工作，且能根据花盆中水的含量需求，
定时、定量地自动浇水。
● 成果展示与交流 将完成的系统安装在家中使用。使用后，就制作成本、
使用效果及进一步改进等方面与同学进行交流。
21
2．图16-4-7 是一种温度自动报警器的原理图。在汞温度计里封入一段
金属丝，当温度达到金属丝下端所指示的温度时，报警灯亮，发出报警信号。
试说明它的工作原理。
图16-4-8
电源
+
-
电磁铁
衔铁
P
电源
光
敏
电
阻
图16-4-7
3．光敏电阻受到光照时电阻会变小，某位同学根据这一特性设计了一个
自动控制电路，如图16-4-8 所示。此电路要求光暗时灯亮，光亮时灯灭。在
实际调试时，发现灯始终亮着，而光敏电阻和其他电路元件都正常。请帮助这
位同学分析电路可能存在的问题，并提出改进方法。
22
电动机与发电机
17.1 关于电动机转动的猜想
17.2 电动机转动的原理
17.3 发电机发电的原理
第 十 七 章
电动机（motor）在生活和生产中的应用十分广泛，如图17-1-1 所示。
关于电动机转动的猜想
17.1
图17-1-1 电动机的应用
了解电动机的结构
让电动机转起来
参照图17-1-2（a）所示
的电路，用导线把图17-1-2
（b）中的电源、开关和电动
机模型连接起来。闭合开关，
看看电动机是否转动。若不
转动，仔细查找原因或请求
老师的帮助。
活动1
电扇
洗衣机
高铁
数控机床
航拍无人机
图17-1-2 连接电动机模型
（b）电动机模型、电源和开关
（a）电路图
M
S
24
电动机内磁体和线圈之间并无接触，但线圈通电就会转动，这说明磁体的
磁场对通电线圈一定有力的作用。对此，你有什么猜想？有些同学的猜想如下：
电动机的转动，可能跟磁场和通电线圈有关。由于磁场对通电线圈产生力
的作用，电动机才会转动起来。
你是否同意他们的猜想？
要验证上述猜想，需要对电动机的结构做合理简化。
* 圆柱形的转子是由硅钢片叠成的，线圈就嵌在硅钢片的槽中。
电动机转动原因的猜想
为什么电动机通电后就会转动起来呢？下面我们先了解电动机的内部
结构。
观察电动机的结构
如图17-1-3 所示，让我们将电动机拆开，探究它的内部结构。
电动机的主要部件是磁体组成的定子和线圈组成的转子。
图17-1-3 电动机的主要部件
电动机
装有电磁铁的定子
嵌有线圈的转子*
电动机模型
磁体
线圈
活动2
25
对镶嵌在转子槽内复杂的线圈，可按照图
17-1-4 所示进行简化。
“简化”是重要的
科学思维方法。
“简化”，指把影
响事物发展与变化不大
的因素（次要因素）忽
略掉，而将影响事物发
展与变化较大的因素
（主要因素）抽取出来
的做法。
金钥匙
图17-1-4 电动机转子简化过程的示意图
一个线圈
中的一段
直导线
一组线圈
中的一个
线圈
转子上
的一组
线圈
电动机转
子上的线
圈组
对镶嵌在定子槽内比较复杂的通电线圈
（电磁铁），可按照图17-1-5 所示简化为蹄
形磁体。
通过对电动机两个主要部件的简化后，就可以用线圈或单根直导线与蹄形
磁体来进行实验研究了。
请你在课后设计一个“验证电动机转动原因的猜想”的实验方案，填写在
下面的方框中。
图17-1-5 电动机定子简化过程的示意图
26
1．你对拆装电动机这项活动感兴趣吗？在设计实验的活动中，是否遇到
过什么问题？你是怎样解决的？谈谈你的体会。
2．电动机在生产和生活中的应用十分广泛。请调查一下你家中哪些物品
使用了电动机。
3．有同学在做“让电动机转起来”的活动时，先连接好电路，在闭合开
关后发现线圈不转动。请你帮他分析可能的原因，并提出解决办法。
4．“简化”是科学探究中常用的一种方法，请说说你在研究电动机转动
的原因时，对电动机的主要部件是怎样进行简化的？
自我评价 与 作业
制作一台简易电动机
根据电动机的主要构造，请用如图17-1-6 所示的器材，制作一台简
易电动机。
试一试：（1）它能不能转动？
（2）改变线圈中电流的方向，转动情况有什么变化？
图17-1-6 实验器材
导线
电池
磁体
支架
漆包线绕制的线圈
两端的线
头裸露
课外活动
27
在上一节，通过拆开电动机的活动，不少同学猜想电动机的转动可能与磁
场中的通电导体受到作用力有关。现在就来探究磁场中的通电导体是否受到力
的作用。
电动机转动的原理
17.2
探究磁场中通电导体受到的作用力
请展示自己设计的实验方案，并跟图17-2-1 所示的三个实验装置进行比
较，再从中选择自己满意的实验装置，进行实验。
探究磁场中的通电导体受到的作用力
图17-2-1 验证猜想的三种实验装置
活动
1．如果选定图17-2-1 中（a）或（b）所示的实验装置进行实验，则
（1）电路闭合时，蹄形磁体中的金属棒AB 是否动起来呢？使金属棒AB
动起来的原因是什么？
（2） 如果将蹄形磁体移开，通电金属棒AB还会动吗？这个现象说明什么？
（3） 改变电流方向，金属棒AB 的运动方向是否改变？
（a）
（c）
（b）
A
A
B
B
A
D
C
B
28
通过上述实验，可以得到以下结论：
通电导体在磁场中会受到磁场对它的作用力，力的方向跟磁场的方向和导
体中电流的方向都有关系。
既然通电导体在磁场中会受到力的作用，那么用导线绕成的线圈，通电后
在磁场中将怎样运动呢？
如图17-2-2（a）所示，实验开始时，线圈平面与磁感线平行。接通电路后，
绿色边和红色边的电流方向不同，其受力的方向相反，线圈便转动起来；当线
圈转到如图17-2-2（b）所示的位置时，绿色边和红色边受到的力恰好在同一
条直线上，且大小相等、方向相反，线圈来回摆动几次就停在该位置上了。线
圈的这一位置叫做平衡位置，此时线圈的平面恰好与磁感线垂直。
怎样才能使通电线圈在磁场中持续地转动呢？
图17-2-2 通电线圈在磁场中的运动
（a）
F
F
（b）
F
F
当线圈由于惯性刚越过平衡位置时，如果立刻改变线圈中的电流方向，
线圈就能够继续转动下去了。在电动机上能够完成这一任务的装置叫做换
向器。
从发现原理到实际应用，往往要解决许多技术上的难题，换向器的发明就
是一个很好的例证。
换向器的作用
（4） 保持电流方向不变，改变磁场方向，金属棒AB 运动的方向是否改变？
2．如果你选定了图17-2-1（c）所示的实验装置，怎样进行实验呢？
29
通过活动我们知道，电动机是根据通电线圈在磁场中受力转动的原理制成
的。用直流电源供电的电动机叫做直流电动机。
请参照图17-2-4，仔细阅读图下的说明，了解直流电动机的工作原理。
图17-2-3 电动机上的换向器
换向器
磁体
线圈
电刷
仔细观察电动机的结构可以发现，在电动机电源的引入处有一个“小机
关”，这就是换向器。最简单的换
向器由两个彼此绝缘的金属半圆环
组成，如图17-2-3 所示。换向器的
两个半圆环分别跟线圈的两端相连
接，并通过电刷连接到电源的两极。
当线圈刚越过平衡位置时，由于换
向器的作用，改变了线圈中电流的
方向，使线圈继续不停地转动下去。
图17-2-4 直流电动机的工作原理
（a） 线圈处于此位置时，电流
从电刷4→半环2→线圈→
半环1→电刷3。线圈的c
边受到一个向上的力，a
边受到一个向下的力，线
圈沿逆时针方向转动
（b） 线圈转至平衡位置时，
两电刷跟两个半环间的
绝缘部分接触，线圈中
无电流，不再受力的作
用。由于惯性，线圈会
越过平衡位置转动
（c） 线圈越过平衡位置后，电流
从电刷4→半环1→线圈→
半环2→电刷3。线圈的c边
受到一个向下的力，a边受
到一个向上的力，线圈仍
绕轴沿逆时针方向转动
a
a
a
b
b
b
c
c
c
d
d
d
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
电动机的工作原理
30
概括地说，直流电动机的工作原理是：
通电导体在磁场中受到力的作用使线圈转动，同时通过换向器及时改变线
圈中的电流方向，以保持线圈的持续转动。
磁场对通电导体作用的应用十分广泛，如磁电式电流仪表和动圈式扬声器
（喇叭），以及电动玩具和机器人等。
图17-2-5 所示的是动圈式扬声
器及其结构示意图。当随声音变化
的电流通过扬声器的线圈时，在磁
场力的作用下，线圈和与它相连的
振膜也随之振动，从而发出声音。
由于变化的电流在磁场中受到的力
也是变化的，因此扬声器发出的声
音也是变化的。
图17-2-5 扬声器及其结构示意图
线圈
振膜
永磁体
不同功能的电动机
电动机具有构造简单，造价低，效率高，在启动、停止和改变转动方向的
控制与操作上均十分方便，且对环境几乎没有污染等许多优点。
电动机可分为“直流”和“交流”两大类。直流电动机和交流电动机又可
细分为很多种，这里仅介绍两种特殊的电动机，即步进电动机和直线电动机，
它们的工作原理均涉及一系列不同的技术，但是它们的基本原理都是“磁场对
电流的力的作用”。
● 步进电动机
摄像机［图17-2-6（a）］中的各种部件能灵活、精准地转动和移动，就
是通过步进电动机来实现的。步进电动机还广泛应用于打印机、传真机、机器
人等设备中。
● 直线电动机
直线电动机是一种能沿着金属轨道做直线运动的感应电动机，磁浮列车
［图17-2-6（b）］上用的就是直线电动机。直线电动机还广泛应用于测量、
激光焊接、激光切割等机械中。
STSE
31
● 活动主题 以前的火车通常是由一个火车头提供动力，运行速度受到
限制。而现在的高速动车组列车多数车厢都有电动机驱动。我国的高速动车组
列车以速度快、运行平稳、乘坐舒适受到人们的广泛喜爱，“复兴号”动车组
列车速度已达350 km/h。目前，科研人员还在研究高铁的进一步提速问题。同
学们对此感到非常兴奋，同时也在思考：从科学的观点看，我国的高铁要进一
步提速是否可能？提速后怎样确保安全呢？
● 方案制订与实施
1. 方案：了解高铁的运行原理。对高铁运行中的科学问题（如电动机、轨
道结构、材料、控制系统、风阻、信号系统、弯道问题等）进行梳理，选择其
中一项进行研究。
2. 实施：结合学习的物理、化学和其他学科的知识，查询有关书籍、资料、
网站，就研究的问题提出你对高铁提速的建议。有条件的学校，可以请高铁方
面的专业技术人员做讲座，或参观高铁后对提速建议做进一步改进。
● 成果展示与交流 写出研究报告，在小组或班级与同学们交流。可以
将有创新且具有可行性的建议提交有关部门参考。
高铁提速的可行性分析
跨学科实践
图17-2-6 电动机的应用
（a）摄像机
（b）磁浮列车
32
1．通电导体在磁场中受到的力
的方向跟哪些因素有关？
2．图17-2-7 是直流电动机的示
意图，请在图上标出各部分的名称，
并阐述各部分的作用。
3．如果模型电动机接通电源后
不能运转，请你分析其中的原因可能
有哪些。
4．图17-2-8 是用漆包线做的一
个简易线圈，将其与金属支架接触部
分的漆包线上的绝缘漆刮去，然后将
线圈放在支架上，支架两端和电池两
极相接。通电后发现线圈不能转动，
请分析原因，并给出解决方案。
自我评价 与 作业
图17-2-7
图17-2-8
通过本节课的学习，有同学提出这样的问题：电动机的转速与哪些因
素有关？请你就此问题开展研究，写出包含以下内容的研究报告。
（1）提出问题：电动机的转速与哪些因素有关？
（2）实验方案：画出实验装置示意图，说明实验的主要步骤。
（3）进行实验，收集证据。
（4）分析数据，并得出结论。
课外活动
33
现代社会离不开电能，如图17-3-1 所示。这些电能通常都是由发电机
（generator）产生的。发电机为什么能发电呢？
发电机发电的原理
17.3
图17-3-1 人类利用各种途径通过发电机发电
火力发电厂
风力发电场
水力发电站
核电站
让我们自己来发电
仔细观察如图17-3-2 所示的手摇发电机。用导线把它与发光二极管连接
认识发电机
活动
34
起来。试一试，怎样才能使发光
二极管发光？
为了探究发电机发电的奥秘，可采用类似研究电动机的办法。将发电机模
型拆开，看一看它的内部结构。发电机跟电动机类似，主要部件也是两个：线
圈和磁体。
电磁感应现象
探究导体在磁场中产生感应电流的条件
让我们仿照对电动机的研究，对线圈和磁体都做些简化，用实验来探究发
电机产生电流的条件。
根据以上思路，同学们设计了如图17-3-3（a）（b）所示的两种实验装置。
你选择哪种方案？请在图17-3-4 中选择合适的器材，进行实验。
必做实验
图17-3-3 探究导体在磁场中产生感应电流的实验装置（一）
（a）
（b）
图17-3-2 手摇发电机模型
35
电磁感应现象的发现，使人们找到了将机械能转化为电能的途径，进而发
明了发电机。
分析上述实验结果，可以得到以下结论：
闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感
线的运动时，导体中就会产生电流。电流的方向
与磁场方向和导体运动方向有关。
这就是电磁感应（electromagnetic induction）
现象。电磁感应现象中所产生的电流，叫做感应
电流（induction current）。
有同学提出，能不能用线圈和条形磁体做如
图17-3-5 所示的实验？请试一试。
图17-3-5 探究导体在磁场中
产生感应电流的实
验装置（二）
发电机的工作原理
如图17-3-3（a）（b）所示，将灵敏电流计与单根导线或线圈连接起来，
检测单根导线或线圈中是否有电流。
（1）当单根导线或线圈的一边在磁场中静止不动时，仔细观察，灵敏电
流计的指针会偏转吗？
（2）单根导线或线圈的一边在磁场中做怎样的运动时，灵敏电流计的指
针才会偏转呢？如果单根导线或线圈的一边平行于磁感线运动，灵敏电流计的
指针会偏转吗？
（3）改变磁体两极的位置（改变磁场的方向），或者使单根导线或线圈
的一边反向运动，灵敏电流计的指针偏转方向是否改变？
图17-3-4 探究电磁感应现象的实验器材
单根导线
线圈
导线
蹄形磁体
灵敏电流计
36
图17-3-6 交流发电机的工作原理示意图
（a） 线圈转至图中位置
时，线圈不切割磁
感线，电路中没有
电流
（c） 线圈从图（b）位置
匀速转至图（c）位
置的过程中，线圈
切割磁感线，线圈
中有感应电流，且
逐渐减小。当到达
此图位置时，线圈
不切割磁感线，电
路中电流消失
（b） 线圈从图（a）位置匀
速转至图（b）位置的
过程中，AB、CD边均
切割磁感线，线圈中产
生逐渐增大的感应电
流。从灵敏电流计指针
的偏转方向可知，电流
方向如图所示，且在此
位置时，电流最大
（d） 线圈由图（c）位置匀
速转至图（d）位置的
过程中，线圈切割磁感
线，线圈中有感应电
流，且逐渐增至最大，
电流的方向如图所示
图17-3-6 是交流发电机的基本结构和工作原理的示意图。图中矩形线
圈可绕轴转动，其AB 边和CD 边分别跟铜制滑环2、1 相连，两个滑环又分
别跟电刷4、3 接触。用导线把两个电刷和灵敏电流计连接起来，组成闭合电
路。当线圈转动时，其AB、CD 边就做切割磁感线的运动（BC 和DA 边是否
也切割磁感线？为什么？），电路中就有感应电流产生，灵敏电流计的指针就
会偏转。
当线圈从图（a）位置继续转动下去，线圈中感应电流的大小和方向就不
断重复上述变化。这里线圈转动一周，电流的方向和大小就发生一个周期性
变化。
上述这种周期性改变方向和大小的电流叫做交流电（alternating current）。
它跟通过干电池、蓄电池所得到的方向不变的直流电（direct current）是不同的。
实际发电机比发电机模型要复杂得多，但基本部件仍是磁体与线圈。它的
磁体是转动的电磁铁，线圈嵌在由硅钢片制成的槽中，如图17-3-7 所示。当
A
A
A
A
B
B
B
B
C
C
C
C
D
D
D
D
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
4
4
4
4
37
转子转动时，定子中的线圈便会切割磁感
线而产生感应电流。
发电机是由水轮机（图17-3-8）、汽
轮机（图17-3-9）或内燃机等带动转子转
动的，所产生的感应电流通常都是交变电
流（交流电），且电压较高。
图17-3-7 发电机的结构
图17-3-9 汽轮机利用蒸汽流驱动
发电机转子转动
图17-3-8 水轮机利用水流驱动发电机
转子转动
此图为白鹤滩水电站中正在安装的10号机组转子
自从丹麦物理学家奥斯特于1820 年
发现“电流的磁效应”之后，科学家们逆
向思考，提出“既然电能生磁，那么，磁
能否生电”这个问题。英国科学家法拉第
（图17-3-10）曾在他的实验记录本上，
如同座右铭一样记下了这个极有价值的问
题。经过长期研究，他于1831年发现了“电
磁感应现象”，并研制出世界上第一台发
电机。法拉第的发现，不仅揭开了电与磁
法拉第的伟大发现
图17-3-10 法拉第和他在1831 年10
月28 日研制出的世界上
第一台发电机
信息浏览
38
1．请你比较发电机和电动机的结构，看看它们的主要结构有什么相似之处。
2．换向器的发明对电机的发展有什么作用？你对科技创新在社会发展中
的作用有什么认识和体会？
3．下列说法是否正确？如果错误，请说出错误原因。
（1）只要导体在磁场中做切割磁感线的运动，就一定会产生感应电流。
（2）只要闭合导体的一部分在磁场中运动，就一定会产生感应电流。
（3）闭合导体的一部分在磁场中不动，就一定不会产生感应电流。
4．图17-3-11 是动圈式话筒的结
构图，最外面是膜片，膜片和线圈缠绕
在一起，线圈中间放置永磁体。当我们
对着话筒说话会引起膜片振动，膜片带
动线圈振动，声信号转换为电信号，电
信号经过放大器和扬声器，可以将声音
放大。请用“磁生电”来说明动圈式话
筒的工作原理。
自我评价 与 作业
之间内在联系的奥秘，而且使电能的大规模利用成为可能，为人类从“蒸汽时
代”跨入“电气时代”作出了伟大的贡献。
如图17-3-12 所示，近年来生产的部分
手机可以使用无线充电功能。无线充电技术
就是应用了电磁感应的原理。请你查阅有关
资料，了解手机是怎样实现无线充电的，并
与同学交流。
图17-3-12 手机无线充电
课外活动
图17-3-11
永磁体
线圈
膜片
S
S
N
39
第 十 八 章
家庭电路与安全用电
18.1 家庭电路
18.2 安全用电
18.3 电能与社会发展
随着社会的进步和科学技术的发展，现代家庭的电气化水平越来越高，懂
得家庭用电的常识，已成为现代公民的基本素养。让我们先来了解家庭电路。
家庭电路
18.1
请观察图18-1-1 和图18-1-2，看看电能是怎样从户外的输电线路进入家
里的各个用电器的。
图18-1-2 家庭电路示意图
图18-1-1 家庭电路
进户线
电能表
总开关
熔断器
开关
开关
两孔插座
三孔插座
火线
零线
地线
灯泡
灯泡
进户线
了解家庭电路
41
图18-1-2 中，进户线与室外输电线相连。电能表安装在进户线后，用来
测量家庭用电的多少。总开关安装在电能表后，以控制家庭电路。熔断器（俗
称保险丝）是安全装置，当电路中电流过大时，熔丝就会熔化，从而切断电路，
对电路起到保护作用。
现在的居民楼已经不再使用闸刀开关和熔断
器了，而是用空气开关替代，如图18-1-3 所示。
空气开关安装在电能表后，当电路中发生短路、
过载等异常情况时，空气开关会自动断开，从而
切断电路，保证了用电的安全。排除故障后，再
将空气开关闭合，电路就恢复正常了。
一般家庭电路有两根进户线，都是从输电线上引下来的。其中一根叫做
零线，另一根叫做火线，火线跟零线之间有220 V 的电压。为了安全起见，有
些家用电器所用的三孔插座还加接了一根地线，即直接与大地相连通的导线，
万一家用电器出现漏电，电流便从地线流入大地，从而避免发生触电事故。
怎样识别火线和零线呢？
用测电笔辨别火线与零线
为了安全、合理地安装和使用
电器，常用测电笔（图18-1-4）
来辨别火线和零线。
图18-1-4 测电笔的外形和内部结构
金属体笔尾
高阻值电阻
高阻值电阻
氖
管
金属体笔尖
火线与零线
活动1
图18-1-3 空气开关的安装
进户线
电能表
空气开关
42
使用测电笔时，正确的握笔方法应如图18-1-5 所示。观察测电笔的氖管
是否发光，即可辨别火线与零线。
图18-1-5 用测电笔辨别火线与零线
在老师的指导下，用测电笔试触接线板的插孔，判断哪个插孔连接火线。
安全小提示：测电时，手指绝对不能接触测电笔前端的金属部分。
在使用家用电器时，先要将电器的插头插入插座或接线板上，这样就可以
接通电源了。例如，将台灯的插头插入插座，就是把灯泡接到火线和零线之间，
闭合台灯的开关后，灯泡便发光了（图18-1-6）。
图18-1-6 将家用电器接入电源
火线
零线
220 V
家庭中早期普遍使用的照明光源是白炽灯，当电流通过灯丝时，灯丝温度
高达2 000 ℃以上，呈白炽状态。现在市场上白炽灯已很少见，家庭中广泛使
用的是节能灯。
白炽灯
（a）氖管发光，这是火线
（b）氖管不发光，这是零线
43
电流怎样通过灯泡
分别准备一个装在灯头里的螺口灯泡和卡口灯泡（灯头里有接线以模拟
火线、零线），卸下灯泡，旋开灯头后面的盖子，对照图18-1-7（a）（b），
仔细观察并讨论：
（1）这两种灯泡和灯头的构造有什么不同？
（2）这两种灯泡分别是怎样让电流通过灯丝的？
图18-1-7 螺口灯泡和卡口灯泡
（a）螺口灯泡和灯头
保险扣
螺旋套
金属片
螺旋
锡块
（b）卡口灯泡和灯头
保险扣
金属柱
弹簧
卡口
锡块
活动2
荧光灯比白炽灯省电，它是利用气体导电的原理发光的，其发光效率约相
当于白炽灯的3 ～5 倍。节能灯（图18-1-8）是一种紧凑式荧光灯，它采用了
发光效率更高的荧光粉和电子变频镇流器，使电能的利用率大大提高。一个
11 W 节能灯的亮度约相当于60 W 白炽灯的亮度，而它在相同时间内消耗的
电能只有60 W 白炽灯的17 %。
节能灯和LED灯
信息浏览
44
图18-1-8 节能灯
LED 灯是一种新型节能灯，它有亮度高、节能、寿命长等优点。LED 灯
是由若干个小灯珠串联在一起所组成的发光体，每一个小灯珠是一个发光二极
管。LED 灯是利用能发光的半导体二极管照明的，它的亮度是白炽灯亮度的
5 ～6 倍，是荧光节能灯亮度的3 ～4 倍，其使用寿命是传统白炽灯的5 ～8 倍。
LED 灯是目前广泛使用的绿色环保灯具（图18-1-9）。
图18-1-9 各种LED 灯
1．为便于管理，供电公司一般将某栋楼或某层楼中每户的电能表集中在
电表箱中，从电能表引出两根电线进入住户。请用方框图在图18-1-10 中标
出电线从电能表进户到家庭电路的电灯之间一般至少要安装的几个开关。
自我评价 与 作业
45
在父母的帮助下，观察自己家中的电路，看看进户线、电能表、开关、
插座，以及各种用电器是怎样布局的。观察过程要特别注意安全。参照图
18-1-2，尝试将你家的电路画出来。
课外活动
2．简要说说使用测电笔判断家庭电路两孔插座中火线与零线时，要注意
哪些事项。
3．走访你家附近的五金电器店，或是通过上网查阅资料，了解家用LED
灯有哪些规格。这些灯有哪些优缺点。
图18-1-10
零线
火线
火线
火线
零线
零线
电
能
表
46
随着生活水平的提高，家庭中使用的电器设备也越来越多，因此，用电安
全是每个家庭都必须关注的问题。那么，怎样用电才安全呢？
安全用电
18.2
过载是指电路中同时工作的用电器过
多，导致线路总电流超过额定值的现象。过
载容易引起导线、开关、插座等处于过热状
态，会加速绝缘材料老化，甚至引发事故。
现代家庭中有电冰箱、空调、洗衣机、
电视机、电饭煲、微波炉、电热水壶等用电
器，不少用电器的功率比较大，若同时使用，
可能会发生“过载”现象（图18-2-1）。
你知道这是什么原因吗？
防止过载
活动1
测算用电器的工作电流
调查你家里使用的各种用电器的额定功率值，测算一下，如果让这些用电
器同时工作，通过电能表的电流是多少？检查一下，这一电流是否超过你家电
能表的额定电流？请将测算结果填入表18-2-1 中。
表18-2-1 用电器的电流数据记录表
用电器名称
用电器的工作电流I1 /A
通过电能表的电流I2 /A
图18-2-1 同时使用大功率电器可
能会“过载”
47
家庭用电时的短路（short circuit）是指火线未经用电器直接与零线相接
触的现象。短路有怎样的危害呢？
切莫短路
1
2
A
B
铝箔条
图18-2-2 短路实验
为了防止家庭电路中出现过载现象，应根据各种用电器的工作电流设计线
路。对于空调、电暖器、电热水器等功率较大的用电器，应采取独立供电的方
式，即一条线路专供某一大功率的用电器使用。
认识短路的危害
如图18-2-2 所示，在电路的A、B 间接入一小段铝箔条（宽为2 ～3 mm），
接上电源，闭合电源开关，灯泡发光。
活动2
若将金属夹“1”和“2”直接接触，在此瞬间，你观察到什么现象？铝箔
条发生了什么变化？
想一想：铝箔条燃烧的原因是什么？你是否认识到短路的危害？
安全小提示：在本实验过程中会产生火花，操作时应注意安全。
48
家庭用电引起的触电事故，大多是由于人体直接或间接地触摸到火线而引
起的。
避免触电
活动3
图18-2-3 触电的几种情况
（a） 人的双手同时分别触到火线和零线，电
流直接流过心脏，非常危险
火线
零线
（c） 家中有些外接可移动的电源插座缺乏保
护功能，小孩玩耍时容易将手指塞进插
座，造成触电事故
（b） 人触到了破损电器中的火线，电流
流过人体入地，很危险
（d） 家用电器或线路着火，要先切断电源，
再用灭火器灭火。切不可直接泼水灭
火，那样会造成触电或电器爆炸事故
怎样避免触电
图18-2-3 是几种常见的触电情况，请讨论：
（1）怎样避免触电事故的发生？
（2）除了图示的几种情况外，还有哪些情况可能会引起触电？
49
为了避免触电，电器安装要符合国家规定的技术要求（图18-2-4）。另外，
带有金属外壳的家用电器，其金属外壳必须接地（图18-2-5）。
图18-2-4 电器安装要符合国家规定的技术要求
（a）开关接在火线上
火线
零线
（b）螺口灯头的螺旋部分接在零线上
火线
零线
（c）三孔插座应有接地线
火线
零线
接地线
图18-2-5 带有金属外壳的家用电器要有接地线
（a） 当家用电器漏电或因火线破损与外壳接触时，
会使外壳带电，这时人接触外壳会发生触电
零
线
火
线
（b） 外壳接地后，即使外壳带电，也会从接地
线流走，人接触外壳不会触电
零
线
火
线
接
地
线
实验表明，当1 mA 左右的电流通过人体时，人会有发麻的感觉；超过
10 mA 的电流就会使人感到剧痛，甚至神经麻痹、呼吸困难，有生命危险；当
电流达到100 mA 时，只要3 s 就可使人窒息，心脏停止跳动。触电对人的生
命是一种极大的威胁。大量事实证明，不高于36 V 的电压对人体才是安全的。
安全用电
信息浏览
50
中国强制认证
CCC 为英文China Compulsory Certif ication 的
缩写，意为“中国强制认证”，简称“3C”。该
认证标志是我国对强制性产品准许其出厂销售和
使用的标志，基本图案如图18-2-6 所示。
我国从2002 年5 月1 日开始正式实施“3C”
认证，现在购买的家用电器都应有“3C”标志。
如果某家用电器没有加贴这一标志，则表示该产
品不符合国家标准和技术要求，质量难以保证。
STSE
图18-2-6 中国强制认证标
志（基本图案）
1．使用带有金属外壳的家用电器，其金属外壳必须接地线。为什么要有
这样的规定？
2．观察家里的电能表和用电器铭牌，通过计算进行评估，如果家里所有
用电器同时工作，电能表是否会超负荷？如果超负荷，你建议采取什么措施？
3．了解社会上因假冒伪劣电器引发的事故，进一步考察“3C”的具体内容，
进而认识“3C”的意义。
4．某同学编了一段“顺口溜”，总结了家庭安全用电的基本常识：“家
庭用电要安全，别碰火线记心间；电火切莫用水浇，先断电源最重要。”请你
也编一段类似的“顺口溜”。比一比，看谁编得好！
5．某同学家需更换三孔插座，在更换插座
时，他发现自己家的老式楼房里没有安装地线。
他认为把图18-2-7 中插座的A 孔与B 点连接
起来，就可以将A 孔接地了。如果按他的说法
连接，当C 点出现开路时，将有金属外壳的用
电器接入插座后，带来的安全隐患是什么？
自我评价 与 作业
图18-2-7
火线
零线
A
B
C
51
电能与社会发展
18.3
我国的电力工业始于1882 年，到1949 年底，全国年发电量仅43 亿千瓦·时，
居世界第25 位。改革开放以来，电力工业有了迅猛的发展。据2024 年底统计，
全国年发电量已达到100 868.8 亿千瓦·时（图18-3-1），居世界第一位，我
国是世界电力生产和消费大国。
目前，我国除了台湾地区
和香港、澳门特别行政区外，
已经形成华北、东北、华东、
华中、西北、西南和南方联合
等7 个跨省区电网。大电网覆
盖了全部城市和绝大部分农村。
我国的电力工业已跨入大区联
网和推进全国联网的新阶段。
为了解决部分地区的电力
紧缺问题，我国实施了西电东
送，即把煤炭、水能资源丰富
的西部地区的能源转化成电力
资源，输送到东部地区。西电
东送工程中有多条特高压直流
线路在技术上处于世界领先地
位。如图18-3-2 所示，2022 年
竣工的白鹤滩—江苏±800 kV
特高压直流输电工程是我国一
图18-3-2 高压输电
我国的电力工业
电能已成为现代社会直接运用的主要能量形式。我国既致力于扩大电力生
产规模，又采取各种环保措施和提倡节约用电，以保证社会可持续发展。
图18-3-1 2020 — 2024 年我国总发电量的增长情况
单位：亿千瓦·时
100 868.8
94 564.4
88 487.1
85 342.5
2020 年
2021 年
2022 年
2023 年
2024 年
77 790.6
52
电能使用方便、清洁，因此，它已成为人类使用最普遍、最广泛的一种能源。
但目前电能主要是从煤炭、石油、天然气等资源转化而来的，对这些资源的过
度开采，带来的是对环境的破坏。因此，为了减少能源的消耗与保护环境，实
现生活质量不断提高与社会科学发展，自觉节约用电是每个公民的社会责任。
仔细研究图18-3-3，认识节约用电的意义。如果每个家庭每天节约用电
1 kW·h，按照全国约有5 亿个家庭来测算，那么，一天能节约多少煤？节约
多少水？少排放多少二氧化碳？少排放多少二氧化硫？……
由此可见，节约用电必须从每个人、每个家庭做起。
图18-3-3 节约用电1 kW·h 的意义
项科技自立自强的创新工程，每年可输送清洁电能超300 亿千瓦·时，推动华东
地区每年减少发电用煤1 400 万吨。
我国已迈入新的百年征程，对电能的需求日益增加。国家正大力发展水力
发电、风力发电、太阳能发电和核电，积极开发利用新能源，以适应国民经济
和社会发展的需要。
节约用电
电网是将那些邻近的电厂、变电站、高压输电线路联合起来组成的地区性
送配电系统，具有统一管理和统一调配大面积送配电的功能。
电网
信息浏览
节约4 L水
减少排放
0.03 kg
二氧化硫
减少排放
0.272 kg
碳粉尘
减少排放
0.997 kg
二氧化碳
减少排放
0.015 kg
氮氧化物
节约0.4 kg
标准煤
53
1．1 kW·h 电能可以供额定功率为40 W 的灯泡正常工作多少时间？可
以供额定功率为100 W 的电视机工作多少时间？
2．请讨论，我国政府为什么要在炎夏采取办公和生产用电为生活用电
“让路”的举措。
3．观察你身边存在的用电浪费现象，谈一谈你对这些现象的看法，并提
出相应的节约用电措施。
自我评价 与 作业
我国发电量居世界第一位，但部分省份在用电高峰时段电力供需偏紧，这
时会采取办公和生产用电为生活用电“让路”的举措。与此同时，政府还号召
大家要增强节约用电的意识，有些地方明确建议夏天不要将空调的使用温度设
定太低，应控制在26 ～28 ℃为宜。据某媒体报道，某省高温天空调负荷达到
1.6×10
8 kW，如果空调原来设定温度从25 ℃变成26 ℃可省电6% ～8%，按
照空调一天运行10 h 计算，每天就可节约电能9.6×10
7 kW·h 以上。
让电于民
调查家庭一天消耗电能的状况
（1）请观察你家的电能表，看看一天（24 h）内消耗了多少电能。了
解家里常用的电器有哪些，在使用这些电器的过程中是否有浪费电能的
现象。
（2）向父母提出几点家庭节约用电的建议或措施。
课外活动
STSE
54
电磁波与信息时代
第 十 九 章
19.1 电磁波
19.2 广播电视与通信
19.3 走进互联网
古往今来，人类传递信息的方式多种多样（图19-1-1）。在交通和通信
不发达的时代，人们常利用烽火、信鸽、驿马等来传递信息。随着科学技术的
发展，电磁波（electromagnetic wave）的应用和互联网（internet）的出现，
使人类的信息传播进入了崭新的时代。
电磁波
19.1
图19-1-1 多种多样的信息传递方式
（b）信鸽传书
（c）特快专递
（a）烽火告急
（d）手机
（e）电子邮件
（f ）天宫课堂
你还知道哪些传递信息的方式？哪种方式的传递速度最快？
想一想
56
体验电磁波
打开收音机（图19-1-2），转动调谐旋钮至无电台处，再调节音量旋钮，
增大音量。取一节干电池和一根导线，先将导线的一端与电池的一极相接，再
用导线的另一端与电池的另一极快速断续接触。听听收音机有什么反应，为什
么会有这样的反应？
那么，究竟什么是电磁波呢?
科学家经过研究发现，当导体中的电流发生变化时，导体就会向四周发射
一种波。物理学中把这种“波”叫做电磁波。
在活动1 中，当导线跟电池断续接触时，在接通和断开的瞬间，电路中的
电流就迅速发生变化，于是产生了电磁波并向四周传播。这种电磁波被收音机
接收后，便发出了上述响声。
电磁波与水波、声波类似，具有波速（wave velocity）、频率（frequency）
和波长（wave length），也可以用波形图来描述（图19-1-3）。两相邻波峰
或波谷间的距离叫做波长，用l 表示。波长的单位是米（m）。
图19-1-2 让收音机接收电磁波
实验表明，收音机会发出“咯、咯”声。原来，收音机接收到电磁波了。
认识电磁波
活动1
57
图19-1-3 波形图
l
l
c
电磁波频率的单位是赫兹，简称赫，符号是Hz。常用的频率单位还有千
赫（kHz）和兆赫（MHz）。它们之间的换算关系是
1 kHz = 10
3 Hz，1 MHz = 10
6 Hz
电磁波能在真空中传播，其速度与光速相等，也可以用字母c 表示，即
c = 3.0×10
8 m/s
同一介质中，电磁波的波速一定，
电磁波的频率越高，波长越短；反之，
频率越低，波长越长。
电磁波在空气中的传播速度与在
真空中的传播速度极其接近。
观察收音机的表盘
收音机的表盘（图19-1-4）上有几排数
字，各排数字前有“FM”“MW”“SW”
等字样，后面还标有“kHz”“MHz”（或“m”）
等符号。你知道这些数字和符号代表什么意
思吗？
开启收音机，转动调谐旋钮，调到中央
人民广播电台或某个地方广播电台的频率，
看看该电台电磁波的波长（或频率）是多少。
图19-1-4 收音机表盘
活动2
日常生活中还有哪些用
电磁波传递信息的事例？
想一想
58
电磁波是一个庞大的“家族”，人们依据它们的频率或波长，给这个“家
族”编制了一个“家谱”—电磁波谱，如图19-1-5 所示。
电磁波“家族”成员众多，每个成员的波长或频率范围各不相同，又各有
自己的特性，因此，电磁波的应用十分广泛，如图19-1-6 所示。生活中的可
见光与其他电磁波只是波长或频率不同，可见光也是电磁波。
图19-1-5 电磁波“家族”示意图
10
2
1
f /Hz
10
22
10
20
10
18
10
16
10
14
10
12
10
10
10
8
10
6
10
4
l/nm
l/m
g射线
X射线
400
500
600
700
紫外线
红外线
无线电波
微波
可见光
10
6
10
8
10
-14
10
-12
10
-10
10
-8
10
-6
10
-4
10
-2
10
2
10
4
1
电磁波的应用
收音机
电视机
微波炉
微波雷达
红外热感照相机
从红色到紫色的可见光
紫外线消毒床
X射线透视人体内部情况
g射线检测金属中的裂纹
无线电波、微波
X 射线、g 射线
图19-1-6 电磁波应用示意图
59
由图19-1-5 和图19-1-6，你能说出应用于现代通信的电磁波频
率的大致范围吗？
想一想
人类不断致力于探索宇宙。月
球反射的光被眼睛接收到，我们就
看到了月球。如果宇宙中的星球发
出的电磁波能被我们接收并能测量
出来，那么我们就能更好地了解这
个星球。2016 年9 月25 日，建造
于贵州省平塘县的500 m 口径球面
射电望远镜（FAST）落成启用，
它的反射面相当于30 个标准足球
场大（图19-1-7）。它是目前地
球上最大的探索宇宙的仪器，被人们称为“中国天眼”。
“中国天眼”是一个系统探索宇宙的科技工程。当宇宙中某星球发射的电
磁波照射到天眼上，经过球面反射后会聚于反射镜中间上端的一点，在此点安
装电磁波接收装置即可“看到”该星球。普通望远
镜接收到的是可见光，“中国天眼”接收到的是包
含可见光在内的所有电磁波，它是通过电磁波来观
测宇宙的。截至2024 年11 月，“中国天眼”已发
现1 000 余颗脉冲星，其中多数已被确认为新发现
的脉冲星，并取得了一系列的探测成果，成为了人
类探索宇宙的重要工具。
“中国天眼”的主要发起者和奠基人南仁东（图
19-1-8），被授予了“人民科学家”的国家荣誉称号。
中国天眼（FAST）
图19-1-7 中国天眼
图19-1-8 “中国天眼之
父”南仁东
STSE
60
1．你收听过所在地市的“交通广播电台”吗？你知道它的发射频率和波
长吗？
2．将电磁波和声波的产生原因和传播条件填入表19-1-1 中，并比较它
们的不同之处。
表19-1-1 波的特性
波
产生原因
传播条件
声波
电磁波
结合上表内容，说明从月球到地面通信采用电磁波的原因。
3．你在使用手机通话时，是否想过手机辐射对大脑有没有影响？请从互
联网或图书馆中查阅有关资料，了解我国的手机辐射标准，以及手机辐射对人
体的影响。
4．雷达将电磁波向探测目标发射出去，再利用天线接收反射波，根据反
射波的方向和延迟时间判断目标的方位和距离。雷达站向某卫星发射电磁波，
经过0.14 s 接收到了反射波。请估算该卫星距地面多远。
自我评价 与 作业
调查电磁辐射对人体健康是否有害
电磁波携带着能量，这种能量叫做辐射能。我们周围的空间充满了电
磁辐射。请你调查电磁辐射对人体健康是否有害，应如何防护，并与同学
交流。
课外活动
61
无线电广播和电视使我们的生活变得更加丰富多彩。你是否想过，收音机里
播放的动听音乐，电视机屏幕上显示的生动画面，是怎样通过电磁波传送的呢？
广播电视与通信
19.2
无线电广播是通过电磁波来传输声音信号的。用收音机收听电台节目，用
手机上的软件收听网络电台都属于接收无线电广播。无线电广播信号覆盖广，
传播方便快捷。
图19-2-1 是电磁波传递声音的大致过程，请研究图示的传递过程，并与
同学交流讨论。
图19-2-1 电磁波传递声音信号的过程
在控制室内，将音频信号加载到高频电流
上，形成调制信号
收音机接收到一定量的电磁波，通过调谐
和检波把其中的音频信号提取出来并加以
放大，还原成声音
在播音室里，通过话筒把声音信
号转变成电信号，即音频信号
放大后的调制信号通过天线发射，
以电磁波的形式在空中传播
天线
调谐指示器
扬声器
无线电广播和电视
62
收音机的中波（MW）波段的频率范围是300 ～3 000 kHz，相应的波长
范围是1 000 ～100 m；短波（SW）波段的频率范围是3 ～30 MHz，相应的
波长范围是100 ～10 m。
电磁波同时传输音频、视频信号时，电视机可以接收到图像和声音信号，
这样我们就可以收看到丰富多彩的电视节目。电磁波传递电视信号的过程大致
如图19-2-2 所示。
图19-2-2 电磁波传递电视信号的过程
电视机接收到电磁波，将视频信号和
音频信号提取出来，分别送到显示屏
和扬声器，还原成图像和声音
电视塔发射经放大后的载有视频
信号和音频信号的电磁波
选取、切换不同角度、大小
的画面来制作电视节目
用摄像机在演播室里拍摄画面和录音
移动电话（手机）的声音、图像信息是由空间的电磁波来传递的。手机既
是无线电发射台，又是无线电接收台，它用电磁波把声音的信息发射到空中，
同时它又在空中捕获电磁波，得到对方声音的信息。
移动通信和5G
63
今天，通信已成为人们交往中不可缺少的信息交流活动。地下与海底光
缆、电话与电视传输线路、空间卫星与卫星地面站，组成了庞大的通信网络。
在这个庞大的网络中，卫星通信在扩大通信范围方面起了重要的作用，瞬间可
达的电磁波把我们这个巨大的地球变成了小小的“地球村”（图19-2-5）。
手机的体积很小，发射功率不大，它的天线也很简单，灵敏度也不高。因此，
它跟其他用户的通话要靠功率较大的基站（图19-2-3）来转接。如图19-2-4
所示，用手机拨打电话时，会把语音转化成电信号，然后通过电磁波，发送到
距离最近的基站A，基站A 接收到电信号之后，再通过交换机转发到覆盖对方
手机信号的基站B，基站B 再把电信号发送到对方手机，手机接收到电信号之
后再把电信号转换成语音，从而实现双方通话。
基站一般会按蜂窝状排布，以便覆盖更大的范围。因此又被称作蜂窝网络。
5G 是第五代移动通信技术，这项技术的应用使得我们的通信更为便捷和
快速。5G 技术可以快速下载文件；延时短，网络的即时交流如同面对面交谈
一样；信息通道大，在人流密集处人们可以同时使用网络进行畅快的通话或网
络浏览。我国5G 技术领先世界，已建成全球规模最大的5G 网络。5G 应用也
已融入多项国民经济中，有力促进了数字经济发展。
图19-2-3 基站
图19-2-4 移动通信
卫星通信
A
B
64
实现卫星通信首先需要同步卫星（synchronous satellite）。所谓同步卫星，
就是指环绕地球转动且周期跟地球自转的周期相同的卫星。若在地球赤道上方
距地面某一高度的圆周上均匀放置三颗同步卫星，它们发送的微波信号几乎可
覆盖全球（图19-2-6）。
卫星通信系统的另一部分是地面部分。如图19-2-7 所示，同步卫星能够
将从某一个地面中继站接收到的微波信号经过处理后，再发送到其他的地面中
继站。中继站可将接收到的信号转送到通信控制中心，进而输送到通信终端，
从而使用户实现信息互联。
卫星通信具有覆盖面大、通信距离长、不受环境限制等许多优点。全球卫
星定位系统就是卫星通信的实际应用，它在为船舶、飞机导航及城市交通管理
等方面，将发挥越来越重要的作用。目前，部分国产手机可以通过北斗卫星导
航系统实现卫星通信，图19-2-8 是手机实现通信的几种方式。
图19-2-5 庞大的通信网络
图19-2-6 同步卫星
图19-2-7 同步卫星、地面中继站间传
递信息示意图
图19-2-8 手机实现通信的方式
北斗卫星
无线网络
手机
通信基站
65
图19-2-9 我国已建成的北斗卫星导航系统
2020年，建成北斗三号
系统，向全球提供服务
2035年前还将建设更加
智能的综合时空体系
2000年底，建成
北斗一号系统，
向中国提供服务
2012年底，建成北
斗二号系统，向亚
太地区提供服务
我国自主研发的北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统，英文简称
BDS）已全面建成，并向全球提供服务（图19-2-9）。北斗系统是通过卫星，
利用电磁波对汽车、轮船、飞机等实现实时定位、导航和授时服务的系统装置。
北斗系统是全球四大定位系统之一，也是世界一流的卫星导航系统。
北斗卫星导航系统（BDS）
北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、
全天时为各类用户提供高精度定位、导航和授时服务。定位精确到分米、厘米
级别，测速精度优于0.1 m/s，授时精度优于10 ns。
北斗系统已在我国的水利水电、海洋渔业、交通运输、气象观察、国土测绘、
减灾救灾和日常生活等领域发挥了重要作用。如果手机上安装了电子地图软件，
便可准确地知道自己所处的位置，在软件上输入想去的地方，就可以进行驾驶、
步行、公交等导航，还能指导你选择最佳的路线。
2022 年12 月14 日，某款地图软件公布了基于北斗系统的应用相关数据，
STSE
66
1．通过本节的学习，你能否感受到电磁波在改变我们的生活、工作和学
习方式等方面的作用？在信息通信方面，你知道电磁波有哪些应用？你最感兴
趣的是哪种应用？说说你的理由。
2．5G 是指第五代通信技术，查阅资料搜集我国5G 通信所使用的无线电
波频率，并说说5G 通信的优越性主要有哪些。
3．请你从互联网查阅相关资料，了解北斗卫星导航系统在生活中有哪些
应用。
4．神舟十九号航天员于北京时间2025 年4 月30 日完美“回家”，返回
舱在经过“黑障区”时无法与地面联系。请查阅资料，说明其中的原因。
自我评价 与 作业
其调用的北斗系统日定位量已超过2 100 亿次，提供的定位导航服务实现北斗
主导。北斗产品已在全球半数以上国家和地区得到应用，应用领域不断拓展。
到2035 年前，我国将建设技术更先进、功能更强大、服务更优质的新一代北
斗系统，建成更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系，为实现中国
式现代化奠定更加坚实的时空设施基础。
67
互联网是利用有线与无线的通信网络，将分布在世界各地的计算机和其他
信息终端如手机、平板电脑、可穿戴设备等连接起来的一个全球性的网络。利用
互联网，人们可以登录网络，进行工作、学习、娱乐、购物、出行、通信等。截
至2025 年6 月，我国网民人数达11.23 亿，居世界第一位。
走进互联网
19.3
互联网上有许多网站和各种小程序，我们从中可以获得很多信息，如：
天气预报、交通、旅游信息、网上课堂，还有卫生、教育、政治、经济等各
方面的新闻。图19-3-1 是某综合网站的教育频道，从这里可以看到国内教育
的新闻。
图19-3-1 某综合网站教育频道
你上网吗？你喜欢浏览哪些网站和使用哪些软件？与同学们一起进行一
次有趣的“网上冲浪”吧！
浏览网页
68
“网上冲浪”
请轻点鼠标，进入你所喜爱的网站，搜寻关于电磁波应用方面的资料，然
后与同学交流。
你经常浏览的网站有：
随着“5G”走进我
们的生活，各级教育部
门也在互联网上建设了
大量的学习资源，有“虚
拟学校”“名师课堂”“精
品课”“网络实验”等，
这些资源可以成为我
们的“网上学校”。图
19-3-2 是“国家中小学
智慧教育平台”的页面。
教育部还建立了通过教
育电视台学习的远程教育中心，人们通过网络就可以把“学校”“教师”“课
堂”“实验室”“学习评价”请到自己的家中。通过计算机或手机可以呈现生
动的物理课堂，遇到疑难内容还可以暂停或者反复播放来学习，最后还能对自
己的学习进行评价。
“网上学校”能让更多的同学享受优质教育资源，促进教育公平，改善区
域教育不平衡。
图19-3-2 国家中小学智慧教育平台网页
网上学校
活动
69
利用互联网还可以进行即时通信，既可以通过文字聊天，又可以发送语音、
图像、视频等信息，人们的通信更加便利了。
社交软件是生活中常用的即时交流软件，也可传输资料。大容量的资料可
以通过电子邮箱或网盘传递。网络通信的方式和手段越来越多，越来越方便，
这使我们的学习和生活变得更便捷。
互联网让人和人之间建立了联系，如果将周边的物品也通过网络连接起
来，人与物形成“万物互联”，这就形成了物联网（图19-3-3）。物联网让
人和物之间有了信息交换和通信，实现高度智能化的新生活。
图19-3-3 物联网
网络通信
万物互联
通过物联网，人们可以在博物馆扫描二维码倾听专业的讲解；在野外拍摄
植物时，即时上网就可查出它的名称和相关特性；网购的物品通过网络可查到
工业
物流
工作
植物
安防
医疗
商品
智能家居
宠物
物 联 网
消费
生活
交通
70
它的配送进度和位置；还可以远程控制家中的电器工作……随着通信技术的发
展，我们的生活还会发生更多意想不到的变化。
跨学
科
实
践
● 活动主题 Wi-Fi 技术已经广泛
应用于家庭、商业和公共场所的无线局
域网中。很多家庭都装有宽带，将无线
路由器（图19-3-4）连接在宽带上，
就可以发射无线电波，从而形成家庭的
无线局域网了。我们在家中用手机、平
板电脑或笔记本电脑连接Wi-Fi 无线局
域网上网时，可以更加便捷地浏览网页、
在线观看视频、进行视频通话等。
但在家里使用Wi-Fi 上网时，不同地方的信号强度不一样，有的地方甚至
还不能连接上网。根据所学物理知识，了解Wi-Fi 技术的特点，结合家里的房
间分布和路由器安放位置，查找家里一些地方网络信号较弱的原因，并动手改
善家中的网络信号强度，使家中的无线网络更流畅。
● 方案制订与实施
1. 查找资料，了解有关Wi-Fi 无线局域网的有关知识。
2. 设计一个测量家庭Wi-Fi 网络信号强度的方案。
有人在手机上下载测速软件，用来测家中无线局域网的网速，从而判断各
处无线网络信号的强度。
你还可以采用哪些方法来测量家中无线网络信号的强度？
3. 根据你所设计的测量Wi-Fi 网络信号强度的方案，试测家中各处无线网
络信号的强度，并分析强度不同的原因。
4. 通过实践活动，动手改善家庭无线网络的信号强度。如可以尝试调整路
由器的放置位置和它的天线方向；查找可能造成电磁信号干扰的电子设备；在
让家中的无线网络更流畅
图19-3-4 路由器
71
远离路由器的地方加装信号增强器等。进行反复试验，以取得最佳效果。你还
能想到哪些方法改善家庭无线网络的信号强度？不妨都试一试。
5. 同学们在实践活动中还想到了一些问题，如家庭局域网的无线信号对人
体健康有没有影响？假如有其他人“蹭”家中的无线网络，是否会影响家中的
网速？怎样发现有没有人“蹭”网等问题。有兴趣的同学还可以继续研究。
● 成果展示与交流 活动后，同学们交流改善家中无线网络信号的措施
和效果，并参考其他同学的研究成果，进一步研究自家的无线网络信号的改进
措施，让家中的无线网络更加流畅。
1．你平时上网查阅资料时，最喜欢登录哪些网站？谈谈你的使用感受。
2．老师们为开展线上教学，使用了不同的线上教学软件。调查你所在班
级老师所使用的线上教学软件的名称，在家长的指引下选择其中一款软件，在
手机上安装后，与同学进行网上课堂讨论学习。
3．互联网给人们带来了快乐和享受。网络世界多姿多彩，然而，不少中
学生因为对互联网缺乏正确的认识，加上辨析能力不强，往往沉迷于网络，影
响了学习与生活。
请从身体、心理和学习等方面谈谈沉迷网络对我们的影响，同时就如何避
免此类问题的产生提出你的意见。
自我评价 与 作业
72
能源与能量守恒
第 二 十 章
20.1 能 源
20.2 开发新能源
20.3 能量的转化与能量守恒
20.4 能源、环境与可持续发展
人类社会的生存和发展离不开能源。人类社会的进步和日趋美好的生活是以
大量能源消耗为代价的。地球上的能源资源是有限的，那么，能源危机应该怎
样去应对？
让我们先来回顾一下人类开发和利用能源的漫长历史。
能 源
20.1
火的发现和利用，结束了人类茹毛饮血的原始生活（图20-1-1），推动
和加快了人类文明的进程。人类从钻木取火中学会了利用薪柴为主要能源，直
到19 世纪中叶，薪柴在全世界能耗中仍占75%。
图20-1-1 原始人已会用火、取火
一百多万年前，人类就知道用火
烤肉吃，比其他动物聪明多了。
人类利用能源的历史
18 世纪末，蒸汽机的发明引发工业革命，被誉为“黑金”的煤炭成为这
场工业革命的动力基础，工厂、船舶、火车等都离不开它（图20-1-2）。19
世纪后半叶，世界各地的煤炭生产发展很快，到1900 年，煤炭在能耗中的比
例已达到57.6%，世界进入了“煤炭时代”。
74
图20-1-2 蒸汽机的发明开辟了人类利用能源的新历程
（a）早期使用的蒸汽火车
（b）以蒸汽机为动力的高速观光轮船
19 世纪70 年代，内燃机的出现，电力工业的迅速发展，使得煤炭在能
源消耗结构中的比重逐渐下降。进入20 世纪60 年代以来，石油的应用日益广
泛（图20-1-3）。1965 年，石油在世界能耗中的比例已超过煤炭，世界进入
了“石油时代”。今天，石油、天然气仍然是世界上最重要的能源，但也面临
着日益枯竭的危机。
图20-1-3 石油及其产品
原来你们是“一母
所生”的。
重油
柴油
煤油
汽油
沥青
石油
目前，人们正致力于太阳能（solar energy）、核能（nuclear energy）、
水能、风能、海洋能、氢能等的开发和利用。21 世纪将是清洁能源的快速发
展时期。
75
2023 年，全世界的能源消耗结构
大约为：煤26%、石油32%、天然气
23%。我国的能源消耗结构大约为：
煤55.3%、石油18.3%、天然气8.5%、
其他（水电、核电、风电、太阳能发
电等）17.9%（图20-1-4）。
现今世界各国，能源消耗仍然以
不可再生能源为主，在结构上都存在
不科学、不合理的现象。按现行使用
量和增长预期计算，已探明的不可再生能源供人们使用的时间长短不一，
最短不足100 年，能源危机是当今世界面临的重大问题。
进入新时代以来，我国深入推进能源革命，推动能源的清洁、低碳、高效
利用。一方面加强煤炭等能源的清洁、高效利用，加大油气资源的勘探和开发；
另一方面，加快规划建设新型能源体系，把促进新能源和清洁能源发展放在突
出的位置。经过多年发展，我国已成为世界能源生产第一大国，构建了多元清
洁的能源供应体系，形成了横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外的能源
基础设施网络，有力保障了经济社会发展用能需求。
近年来，我国以水电、风电、太阳能发电为代表的可再生能源实现了跨越
能源危机和我国的能源革命
图20-1-4 我国2023 年的能源消耗结构
其他（水电、核电、
风电、太阳能发电
等）17.9%
石油18.3%
煤55.3%
天然气8.5%
能源可分为不可再生能源和可再生能源。煤、石油、天然气等一旦被
消耗，是不能再生的，这类能源属于不可再生能源（nonrenewable energy
source）；太阳能、水能、风能、地热能、海洋能、潮汐能等是不会随开发利
用而日益减少的，这类能源可以从自然界里源源不断地得到，所以属于可再生
能源（renewable energy source）。
目前使用最广的能源是电能，电能是由上述可再生能源和不可再生能源转
换得来的。
可再生能源和不可再生能源
76
式发展。截至2024 年底，我国可再生能源发电总装机容量达到18.89 亿千瓦，
水电、风电、太阳能发电、生物质发电装机规模稳居世界第一。
活动
表20-1-1 我国近年发电量数据统计
年份
2020 年
2021 年
2022 年
2023 年
2024 年
总发电量/（亿千瓦·时）77 790.6
85 342.5
88 487.1
94 564.4
100 868.8
水电
13 552.1
13 390.0
13 522.0
12 858.5
14 256.8
火电
53 302.5
58 058.7
58 887.9
62 657.5
63 742.6
核电
3 662.5
4 075.2
4 177.8
4 347.2
4 508.5
风电
4 664.7
6 561.0
7 626.7
8 858.7
9 970.4
太阳能发电
2 608.8
3 257.6
4 272.7
5 841.5
8 390.4
我国是世界能源生产大国之一，截至2023 年底，已探明的煤、石油、天
然气的储量如图20-1-5 所示。
请计算一下，我国能源的人均拥有量分别是多少？谈谈你的感想。
我国部分能源储量
信息浏览
我国可再生能源增长情况分析
表20-1-1 是我国近年发电量的数据统计，请分析各年中水电、风电、太
阳能发电等可再生能源的增长情况，结合数据谈谈你对此的看法。
从表中你还能看出哪些信息？
77
1．煤炭、石油、核能、太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能、植物燃
料等能源中，哪些是可再生能源，哪些是不可再生能源？
2．请从互联网或有关资料中了解我国能源的状况，以及我国每年生产和
进口各种能源的情况，并作出评价。
3．请调查一下，你所在的城市或乡镇，燃油汽车和新能源汽车的保有量
大约是多少？近年来有什么变化？试分析为何有这样的变化。
自我评价 与 作业
图20-1-5 我国煤、石油、天然气的储量
（a）煤的储量约为2.19×10
11 t
（c）石油的储量约为3.85×10
9 t
（b）天然气的储量约为6.74×10
12 m
3
78
面临日益逼近的能源危机，世界各国越来越重视节能和新能源的开发，并
正在努力开发包括太阳能和核能在内的各种新能源。
开发新能源
20.2
太阳是个巨大的能源，它以光和热的形式向四周辐射能量，其中到达地球
表面的太阳辐射功率达1.7×10
14 kW（图20-2-1），地球每天所接收到的太
阳能足够整个世界用上许多年。直接利用太阳能不会污染环境，因此它是最具
开发价值的能源。
太阳能到达地面后，主要通过如图20-2-2 所示的四种途径被吸收或利用。
到达地面的太阳辐射功率
1.7×10
14 kW
3.8×10
23 kW
太阳总辐射功率
图20-2-1 太阳能
（a）被植物、微生物吸收
（b）使大气、水分升腾循环
（d）直接利用
（c）被海洋吸收
图20-2-2 吸收和利用太阳能的四种主要途径
第一种途径是通过植物的光合作用把太阳能转化和储存起来，再以草木、
沼气、煤、石油、天然气等燃料的形式释放出来；第二种途径是通过大气和水
太阳能—永恒的动力之源
79
怎样直接利用太阳能
太阳能热水器将太阳能直接转化成内能［图20-2-3（a）］；太阳能发电
站利用太阳能电池直接将太阳能转化成电能［图20-2-3（b）］；用太阳能制
氢，是将太阳能转化为化学能，驱动氢能源公交车［图20-2-3（c）］。
图20-2-3 直接利用太阳能的方式
（a）太阳能→内能
（b）太阳能→电能
（c）太阳能→化学能
目前，人类根据光电转换原理，已经成功研制了多种太阳能电池。太阳光
照到半导体材料硅制成的太阳能电池上，便可转化成电能。这种太阳能电池已
广泛应用在人造卫星、宇宙飞船和空间站中（图20-2-4）。我国许多地方建
有太阳能发电站，太阳能热水器也已经走进许多家庭。现在，人们正在研究，
太阳能电池
分的升腾循环，再通过风、流水、波浪、海流等释放出来；第三种途径是被海
洋吸收，成为海洋的内能；第四种途径是被人们直接利用，如太阳能热水器、
太阳灶、太阳能发电等。
根据图20-2-3，你还知道哪些直接利用太阳能的事例？跟同学交流后，
写在下面的方框中。
信息浏览
活动
80
将在太空收集到的太阳能通过微波技术传回地球供人类使用。随着科学技术的
发展，人类利用太阳能的途径愈来愈宽，形式也愈来愈多。
图20-2-4 中国空间站上的太阳能电池板
原子核内部蕴藏的巨大能量，叫做原子核能，简称核能。
怎样使巨大的核能释放出来造福于人类呢？
释放核能的方式有两种：一是使原子核发生核裂变（nuclear fission），
二是使原子核发生核聚变（nuclear fusion）。
● 核裂变—链式反应（图20-2-5）
图20-2-5 链式反应示意图
中子
铀核
核能—造福人类的“神火”
81
核裂变是较重的原子核裂变为较轻的原子核
的一种核反应。科学家研究发现，如用中子作为
“炮弹”去轰击铀核，不仅能使铀核分裂，同时
还会放出2 ～3 个中子及一定量的核能，这2 ～3
个中子又使2 ～3 个铀核分裂，放出更多的中子，
使更多的铀核裂变……这种铀核裂变的引发过
程，叫做链式反应。链式反应的发现，使人类实
际利用核能成为可能。但是，这种反应若不加以
控制，在极短时间内将释放出巨大能量，原子弹
爆炸就是这种情况（图20-2-6）。
计算表明，1 kg 铀全部裂变释放的能量，相当于2 700 t 标准煤完全燃烧
放出的能量。地球上的其他能源都无法与核能相比。
要安全利用核能，就必须控制产生中子的数量和速度，核反应堆中就有这
样的装置。图20-2-7 是核电站的外景和工作流程示意图。
图20-2-6 1964 年，我国成功
试爆第一颗原子弹
图20-2-7 核电站
（a）我国秦山核电站
（b）核电站工作流程示意图
控制棒
凝汽室
冷却塔
水受热变成蒸汽
变压器
发电机
水泥外壳
核反应堆
蒸汽驱动涡轮机旋
转，使发电机发电
此外，核废料的处理也是一个难题，目前常用的方法是将核废料装入可
屏蔽辐射的金属罐中，最后将这些金属罐放入位于地下500 ～1 000 m 的处置
库内。我国核废料的处理技术领先于世界，已取得诸多新进展和突破。
核发电是人类利用核能的主要方式，世界上自1954 年第一座核电站建成
以来，至今已有很多国家和地区在建核电厂并运行。我国自行设计建造的第一
82
座核电站是秦山核电站，目前，我国在安全利用核能和建造核电站的方面位居
世界前列。我国自主研制的第三代“华龙一号”核电机组，已出口到国外。
● 核聚变—热核反应（图20-2-8）
核聚变是释放核能的另一种方式。
科学家研究发现，在超高温条件下，
可将两种质量较轻的原子核（如氘和
氚），聚合成一个较重的原子核，这
种反应叫做核聚变。核聚变能够释放
出比核裂变更加巨大的能量。太阳能
就是来自太阳内的核聚变。
核聚变要求氘和氚具有很高的温
度，在反应过程中要把反应物质加热
到千万摄氏度以上才能发生大规模的核聚变。因此，聚变反应又称为热核反应。
目前，核聚变应用只限于核爆炸（图20-2-9）。人类正致力于探索控制
核聚变的途径，使热核反应的能量缓慢地释放出来。热核反应所需要的材料
“氘”，在海水中有着丰富的储量，1 L 海水中大约有0.03 g 的氘，它发生热
核反应时放出的能量大约与燃烧300 L 汽油放出的能量相当。因此，一旦受控
热核反应得以实现，人类利用能源的结构将发生重大变化。目前，我国和世界
各国都在致力于受控热核反应的研究，我国的研究成果已位于世界前列（图
20-2-10）。
图20-2-8 核聚变示意图
氘
氚
图20-2-9 1967 年，我国成功
试爆第一颗氢弹
图20-2-10 我国研究受控热核反应的装置—
中国环流三号
83
科学的发展使得人类利用核能成为可能，
我国从20 世纪50 年代开始研究核能，以王
淦昌、钱三强、邓稼先、于敏等为代表的一批
“两弹一星”科学家，为祖国的核能开发和
利用作出了杰出的贡献。其中于敏院士（图
20-2-11）提出的氢弹构型，使得我国核武器的
研究居世界前列，为保障国家安全作出了巨大
的贡献。
新能源的开发已取得可喜的进展，但在总能源消耗中占比仍然较低。加快
水能和海洋能、风能、氢能、地热能等新能源的开发和利用是人类一项十分重
要而又紧迫的工作。
水能
水电站是利用水流动的机械能推动水轮机和发电机转子转动发电的，水能是
一种已经广泛利用的常规能源，也是一种稳定的可再生能源。世界上最大的水力
发电站是我国的三峡水电站，总装机容量达到2 250 万千瓦，2020 年创造了单座
水电站发电量新的世界纪录。白鹤滩水电站安装的单机容量100 万千瓦水轮发
电机组是目前世界上单机容量最大、技术领先的水轮发电机（图20-2-12）。
我国年水力发电量稳居世界第一位。
图20-2-12 白鹤滩水电站
图20-2-13 “奋进号”潮流能发电机组
信息浏览
图20-2-11 “氢弹之父”于敏
84
海洋能
浩瀚的海洋覆盖了地球表面的71%，它蕴藏着波浪能、潮流能、潮汐能、
温差能等，是取之不尽的洁净能源。2022 年2 月24 日，世界最大单机容量潮
流能发电机组“奋进号”在浙江舟山成功下海，连续运行时间和发电量均居世
界前列（图20-2-13）。
风能
风能是一种清洁、安全、可再生的绿色能源。开发风能，对环境污染
少，对生态破坏小，环境效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具
有重要意义（图20-2-14）。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约
1×10
9 kW，其中，陆地上风能储量约2.53×10
8 kW（以陆地上离地10 m 高度
资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5×10
8 kW。截至2024 年底，
我国风力发电总装机容量约5.21×10
8 kW，居世界第一位。
氢能
氢能具有高效、干净、易贮存、可运输等特点。我国长征五号B 运载火箭
（图20-2-15）就使用液态氢作为主要燃料。人类目前已掌握多种制氢工艺，
其中利用太阳能制氢有着广阔的前景。可以预见，氢能将成为21 世纪的重要
能源之一。
图20-2-14 我国甘肃风电场
图20-2-15 长征五号B 运载火箭
85
你见过哪些太阳能发电装置？把它用图和文字表述出来，进行小组交
流，了解装置的大致结构和工作流程。同时了解我国最近几年在太阳能开
发和利用上取得的成就。
1．在直接利用太阳能的技术中，你最感兴趣的是哪一种？理由是什么？
2．在核电站中，从核能到电能，中间经过了哪些形式的能量转化？
3．太阳能辐射到地球表面的平均功率为1.7×10
14 kW，试计算太阳每1 h
辐射到地球上的总能量是多少？这些能量相当于多少吨无烟煤完全燃烧所放出
的能量？（无烟煤的热值为3.4×10
7 J/kg）
4．你认为太阳能、核能、风能、海洋能、氢能等新能源中，哪些最可能
成为人类未来的理想能源？说说你的依据。
自我评价 与 作业
课外活动
86
能量的转化与能量守恒
20.3
我们已经知道，自然界的能量有机械能、内能、光能、电能、化学能、核
能等多种形式。人们发现，自然界中的能量不仅可以从一个物体转移到其他物
体，而且在一定条件下，形式不同的能量之间还可以相互转化。
能量的转移
能量是可以在两个物体之间转移的。
图20-3-1 是一些能量转移的实例，你能说出各例中是什么能量发生了转移吗？
你还能列举哪些能量转移的例子？
能量的转移与转化
活动1
图20-3-1 能量转移的实例
（c） 发电站产生的电能通
过输电线送到用户
（b）一个球下降，另一个球上升
（a）用热水袋取暖
87
能量的转化
能量不仅可以转移，而且各种形式的能量在一定条件下还可以相互转化。
（1）图20-3-2 是电能与化学能相互转化的实例。
图20-3-2 电能和化学能相互转化
（a）手机充电时， 能转化成 能
（b）电池放电时， 能转化成 能
+
-
在能量由一个物体转移到其他物体，或由一种形式转化为其他形式的过程
中，遵循什么规律？这个问题一直是人们研究的重要课题。
（2）如图20-2-7 所示的核电站工作流程示意图中，核反应堆工作时，铀
核裂变释放的 能转化成蒸汽的 能；然后将高温高压的蒸汽通入涡
轮机中，驱动涡轮机转动，使蒸汽的 能转化成涡轮机的 能；并带
动发电机，使 能转化成 能。
你还能列举一些在生活和生产中关于机械能、内能、电能间相互转化的实
例吗？
图20-3-3 是用电动机提升物体的示意图。请想一想，电动机在工作时消
耗了哪些能量？是否都转化成了机械能？还转化成哪些形式的能量？
能量守恒定律
活动2
88
图20-3-3 用电动机提升物体
如果将转化后的其他形式的能量全部加起来，是否应该与所消耗的电能相等？
科学家经过长期的研究发现，在一定量的某种形式的能量减少的同时，总
伴随着其他形式的能量的增加，且减少的能量总是与增加的能量相等。也就是
说，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到其他物体，
或者从一种形式转化为其他形式。能量在转移和转化过程中，总量保持不变。
这就是能量守恒定律（law of conservation of energy）。
能量守恒定律是自然界最普遍、最根本的定律之一。大至宇宙天体, 小到
原子世界，都服从这一定律。
历史上也曾有人妄想，不用消耗能量就能使机器运转，并为此设计、制作
了各种各样的“永动机”，结果都失败了。图20-3-4 是历史上两种“永动机”
的模型示意图。
图20-3-4 两种“永动机”的模型示意图
（a）亨内考的“永动机”
（b）列奥那多的“永动机”
89
在图20-3-1（a）中，手和身体变热时，热水袋中的热水温度会降低，在
这种内能转移的过程中，内能总是自动地从高温物体向低温物体转移。
烧开水时，燃烧的煤或天然气的化学能转化为水的内能。当水渐渐凉下来
时，能否将其减少的内能全部复原为煤或天然气的化学能呢？
汽车的动力来自发动机中汽油的燃烧。在行驶中汽车克服摩擦，部分能量
转化成地面、车轮和空气的内能，这些能量能够自动用来再次开动汽车吗？
显然，上述问题的答案都是否定的。你还能列举出一些类似的事例吗？
大量事实表明，能量的转化和转移过程是有方向性的，多数能源在消耗过
程中，用一点就少一点，不能再生；此外，尽管在转化过程中能量是守恒的，
但总有相当一部分的能量是不能被有效利用的，成为“无用的能量”。因此，
节约能源、提高能源的利用率是当务之急。
节能和提高能源的利用率，离不开科学技术的进步。采用新技术、新设备，
改进工艺流程，减少能的转化次数，充分利用余热，用高效节能的新产品代替
高耗低效的旧产品等，都是节约能源的根本措施。
在我们的生活中，人们的生产活动用电主要集中在白天，而生活用电主
要集中在夜间，所以白天的用电负荷就远大于夜间。一般的发电站一旦工作就
不能随便停下来，电只能随发随用，不能像物品那样保存起来。为了不造成夜
间多余电能的浪费，人们根据能量守恒定律，设计出了抽水蓄能发电站。在夜
间用电量少时，抽水蓄能发电站利用电网上用不完的电驱使水泵将低处的水抽
到高处，这样电能就转化为水的势能储存起来。到了白天用电高峰，抽水蓄能
抽水蓄能电站
能量在转移和转化过程中的方向性
试分析制作“永动机”失败的原因。
想一想
信息浏览
90
发电站再把高处的水放下来，推动水轮机发电，将电送回电网。2021 年投产
发电的河北丰宁抽水蓄能电站是世界上规模最大的抽水蓄能电站，总装机规模
360 万千瓦，年设计发电量66.12 亿千瓦·时，年抽水电量87.16 亿千瓦·时。
图20-3-5 水车
图20-3-5 是用于灌溉农田的水车，外形酷似古式车轮，靠流水推着车轮
转动，车的辐条上装有水斗，横板刮水，水斗装水。一个个水斗装满了河水，
被逐级提升上去。临顶，水斗自然倾斜，将水注入渡槽，最终通过渠道流到农
田里。
水车
STSE
1．列举几个能量转化的例子。
2．目前，一些城市交通指示灯及路灯照明系统已使用太阳能供电（图
自我评价 与 作业
中国使用水车灌溉甚早，龙骨水车在东汉时已有使用，至今已有1 800 余
年历史。它利用水流的能量把水从低处“送”到高处的灌溉渠道里，对周围的
农作物进行灌溉，大大提高了生产效率。水车的发明使用，充分体现了我国古
代劳动人民的智慧。
91
20-3-6）。白天，太阳能转化为电能，除供正常使用外，将多余的能量储存
在蓄电池内，夜晚供交通指示灯及照明灯发光。请完成下面的方框图，使其正
确反映这个过程中能量转化的情况。
3．阅读本节“信息浏览”中的抽水蓄能电站介绍，尝试说明它在工作过
程中经历了哪些能量的转化。并讨论每个环节里的能量损耗在哪些方面。
图20-3-6
太阳能
电能
光能
92
能源为人类社会的文明发展做出了巨大贡献，但人类在大量开发和使用能
源的同时，也给环境造成了不可忽视的污染和破坏，对人类的生存与社会的发
展构成了极大的威胁。环境污染是世界各国关注的热点，因此环境保护已经成
为一个全球性的重大课题。
能源、环境与可持续发展
20.4
过量的二氧化碳、氟氯烃（又称氟利昂）等气体排放到大气中后，会集聚
成一个温室气体层，使地球表面的辐射热不易向空间散发出去，导致全球的平
均温度升高，形成了温室效应。图20-4-1 描绘了因温室效应给地球带来的不
良后果。
图20-4-1 温室效应的严重后果
（a） 地球南、北极的冰盖逐渐消
融，使海平面上升
（b） 海平面升高，近海岸和岛国居民将面临失去家园
的危险
（c）生物圈的平衡遭破坏，生物难以生存
（d）海水倒灌，良田因盐碱化而变成荒地
能源与环境
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煤、石油、天然气等化石燃料燃烧时产
生大量的二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物等
气体和烟尘，以及汽车尾气（图20-4-2）
和各种工业废气，会造成大气污染，并导致
温室效应、酸雨等灾害。此外，火力发电厂
发电所产生的“余热”会引起热污染；泄漏
的石油会污染海洋，引起生态危机。
全球变暖对人们生活的影响
请想象一下，一旦年平均气温上升5 ℃，我们的生活将会发生哪些变化？
把你的想法跟周围的同学进行交流和讨论。
随着社会的不断进步，人类消耗的能源越来越多，随之而产生的二氧化
碳排放量也在增加，世界公认二氧化碳排放过多是全球气温升高的主要原因。
1992 年通过的《联合国气候变化框架公约》，其目标是全面控制二氧化碳等
温室气体排放，应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响。
消耗能源要产生二氧化碳排放，新能源的利用和节能减排可以减少碳排
放，大自然的森林也能吸收大气中的二氧化碳。当一个地区或国家的碳排放
量达到一个最大值，不再增长时即为“碳达峰”；“碳中和”是指一定时间内
直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林等增加吸收二氧化碳的
方式以抵消碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。人类低碳发展的终极目标
就是要实现碳中和。
中国积极参与应对气候变化全球治理，将实现碳达峰、碳中和作为一场广
泛而深刻的经济社会系统性变革。目前我国水力发电、太阳能发电和风力发电
量位居世界前列，新能源开发利用引领世界。中国的新能源汽车工业也处于世
界领先地位，“三北”防护林更是世界上最大的植树造林工程，这些都是我国
“碳达峰”与“碳中和”
图20-4-2 汽车尾气中的有害物质
一氧化碳二氧化硫
铅
活动
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对世界的贡献。中国承诺二氧化碳排放量将在2030 年前达到峰值，努力争取
2060 年前实现“碳中和”，体现了我国对世界发展的责任和担当。
为了减少能源利用对环境的污染和破坏，做到可持续发展，我们必须改进
传统能源的技术，同时还要着力开发无污染的“绿色能源”。倡导低碳环保、
绿色出行成为必然，目前正大力推广的电动汽车（图20-4-3）就是措施之一。
图20-4-3 电动汽车及充电装置
（b）电动公交车
（c）电动汽车的充电桩
（a）电动汽车
我国十分重视能源利用过程中的环境保护，按照尊重自然、顺应自然、保
护自然的理念，贯彻节约资源和保护环境的基本国策，更加自觉地推动绿色发
展、循环发展、低碳发展。“绿水青山就是金山银山”，大自然带给了我们财
富的源泉，我们要推进人与自然和谐共生的现代化，要留给子孙后代蓝天、清
水、绿地，让地球一直美好下去（图20-4-4）。
图20-4-4 天更蓝、水更清、地更绿
“绿水青山就是金山银山”
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● 活动主题 面对能源危机，我国积极应对。我国的新能源汽车以技术
领先、应用广泛成为汽车行业的新宠，现今全球新能源汽车市场超过一半以上
均为中国品牌制造，其特点是绿色低碳、节能环保。同时，使用氢和其他环保
燃料作能源的新能源汽车也逐渐兴起。
新能源汽车的发展前景怎样？未来新能源汽车发展的趋势如何？请同
学们就这个主题进行分析研究，并对我国新能源汽车的发展战略提出自己的
建议。
● 方案制订与实施
1. 在老师的指导下，以小组为单位，分别通过互联网搜索、参观新能源汽
车生产厂家或销售点、访问新能源汽车驾驶员等多种方式，调查新能源汽车的
发展现状，了解现在已经生产和正在开发的新能源汽车有哪几种类型。它们的
工作原理是怎样的？使用中遇到哪些困难和问题？
2. 了解国家发展新能源汽车的有关政策。
3. 利用在物理课中学习的热机、电动机、效率、能源和环保等方面的知识，
以及在化学课中学习的知识，结合我国的“碳达峰”和“碳中和”政策，对新
能源汽车的前景和发展趋势进行分析和研究，对我国的新能源汽车发展战略提
出自己的建议，并撰写研究成果的小论文。
● 成果展示与交流 采用文字、图片、图表、视频等多媒体形式呈现研
究成果，制作演示文稿在班上进行展示交流，阐明自己的观点和研究成果，对
自己在活动中的表现及收获进行自我评价，并与其他同学互评。
新能源汽车发展前景和趋势的研究
跨学科实践
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1．在家庭或学校利用能源的过程中，你认为采取哪些措施可以减少对环
境的污染？
2．请到加油站了解一下，当地供应的汽油是不是无铅汽油和乙醇汽油？
为什么要提倡汽车使用无铅汽油和乙醇汽油？无铅汽油是无污染的汽油吗？
3．核能的开发和利用缓解了能源危机，但核废料处理不当则会对环境造
成很大的危害。请查阅资料了解目前各国核废料的处理方式，并提出自己的
建议。
自我评价 与 作业
跟几个同学组成调查小组，调查所在地区使用能源对环境的影响情况，
存在着哪些污染？产生这些污染的原因是什么？提出一些可行的治理环境
的措施与办法，请老师汇总后交给当地环保部门。
课外活动
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两年来的物理学习，你对物理这门课程有兴趣吗？请你不必过多地用考试
的分数去衡量，最重要的是你的真实感受。
你已在物理世界的大观园中漫游了一次，也许你已经领略到它的迷人魅
力，感受到它的神奇力量。请你选择其中的两章，剖析一下，你学到了哪些知
识和技能？对这些知识和技能，你是通过怎样的途径和方法去理解和掌握的？
这两章中涉及的科学思维方法，对你今后的学习有什么帮助？这两章内容有什
么重要的社会价值？
新时代的社会发展，将更加依赖于科学技术的进步。人类的种种需求，包
括生活质量的提高、环境的安全、生存空间的扩张，以及求知欲望的满足，都
有待于科学技术的进步。
同学们！义务教育课程的学习即将结束，这意味着你将开始新的征程。在
未来的岁月中，欢迎你再次来到物理世界的殿堂中，它将提供给你更为广阔的
天地，使你不断地产生新的喜悦，获得更为深切的体验。
你 怎样学习 学得怎样
青年强，则国家强。当代中国青年生逢其时，施展才干的舞台无比广阔，
实现梦想的前景无比光明。使命在肩，任重道远。衷心祝愿你在未来的征途上，
愉快、成功！
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后 记
为了全面落实课程标准“立德树人”的根本任务，提高教科书编写修订质
量，编写组根据《义务教育物理课程标准（2022 年版）》，对教科书的结构
和内容进行了全面设计和修订。这次编写修订以提升全体学生核心素养为宗旨，
围绕核心素养，在保持本套教科书特色的基础上与时俱进，构建学生学习的逻
辑结构和教科书内容体系。在编写修订过程中，部分省市的教师参与了教科书
的试教试用与审读，编写组充分吸收了一线教师的意见和建议，力求使本套教
科书更加切合教学实际，利教便学。
本套教科书编写组由束炳如、何润伟担任主编，汪延茂、母小勇、陈聆、
朱美健为核心成员。在本次编写修订工作中，编写组对人员做了充实和调整，
本次编写修订工作由现在的编写组完成。
本套教科书2003 年版、2012 年版的原编写人员还有谢坚城、戴恒志、童
寿康、胡全、张金山、宋世骏、陈裕利、徐善辉、王明秋、仲新元、周卓涛、
成为佐、布正明、虞澄凡等同志。
上海科学技术出版社、广东教育出版社在本书的编辑出版过程中，紧密协
作，共同努力，为编写组提供了有力保障。编辑团队积极主动地工作，为提升
教科书的质量和水平作出了重要贡献。
在本套教科书编写修订过程中，得到了专家、学者、教研员、教师，以及
学生和家长等多方面的支持和帮助，在此一并表示感谢！
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本书中的部分图片由视觉中国、IC photo、中国载人航天工程办公室、上
海飞果信息技术等提供。
声明 按照《中华人民共和国著作权法》第二十五条有关规定，我们已
尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社
联系。
编写适应中国式现代化需要的义务教育初中物理教科书，始终是我们追求
的目标。我们将不懈努力，为推进义务教育的高质量发展作出贡献。
欢迎广大师生来电来函对教科书提出宝贵意见。
上海科学技术出版社：电话021-64848025，邮箱jc@sstp.cn。
广东教育出版社：电话020-87613102，邮箱gjs-quality@nfcb.com.cn。
编 者
2024 年2 月
